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TEMÁTICA Y ALCANCE La Revista Politécnica es una publicación periódica semestral, editada por la Escuela Politécnica Nacional del Ecuador, cuyo objetivo
es contribuir al conocimiento científico y tecnológico, mediante la publicación de estudios científicos relacionados a las áreas de
ciencias básicas (física, química y matemática) e ingenierías (agroindustria, ambiental, civil, eléctrica, electrónica, geología, mecánica,
petróleos, sistemas y química). La Revista Politécnica está dirigida a profesionales e investigadores que trabajan en estos campos del
conocimiento.
EDITOR Oscar Eduardo Camacho, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
CO-EDITORA Silvana Ivonne Hidalgo Trujillo, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
CONSEJO EDITORIAL
Ph.D. José Aguilar
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. Edinzo Iglesias
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. Gabriel Salazar
Organización Latinoamericana de Energía,
Ecuador
Ph.D. Santiago Arellano
Chalmers University of Technology, Suecia
Ph.D. Francisco León
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. Pablo Samaniego
Instituto de Investigación para el
Desarrollo (IRD), Francia
Ph.D. Carlos Avila
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Orestes Llanes
Universidad Tecnológica de la Habana,
Cuba
Ph.D. Gustavo Scaglia
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina
Ph.D. Leonardo Basile
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Diego Ordoñez
Universidad Tecnológica Equinoccial,
Ecuador
Ph.D. Hebertt Sira-Ramirez
Center for Research and Advanced Studies
of the National Polytechnic Institute,
México
Ph.D. Silvia Calderón
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. Rui Pedro Paiva
University of Coimbra, Portugal
Ph.D. Carlos Smith
University of South Florida, Estados
Unidos Ph.D. Jean François Dulhoste
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. José Luis Paz
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Sebastian Taco
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador Dr. Pamela Flores
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Nelson Pérez
Universidad de los Andes, Venezuela
Ph.D. Cristian Vallejo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Carlos Gallardo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Franklin Rivas
Universidad Técnica Federico Santamaría,
Chile
Ph.D. Marcos Villacis
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Victor Hugo Hidalgo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Andrés Rosales
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ph.D. Cesar Witt
Université des Sciences et Technologies
de Lille, Francia
La Revista Politécnica está incluida en Latindex, catálogo y directorio: Sistema Regional de información en línea para Revistas
Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal. Además la Revista Politécnica se encuentra en SciELO - Scientific
Electronic Library Online.
Se autoriza la reproducción total o parcial de su contenido siempre y cuando se cite la fuente. Los conceptos expresados son de
responsabilidad exclusiva de sus autores.
Coordinador Técnico Operativo
MSc. Javier Páez G.
Teléfono: (+593) 2976300 ext. 5220
Comisión de Apoyo Editorial
Ing. Ricardo Villarroel.
MSc. María Eufemia Torres.
Diseño de Portada
MSc. Javier Páez G.
AUTORIDADES
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Vicerrectora de Investigación y
Proyección Social
Alexandra Alvarado, Ph. D.
Rectora
Florinella Muñoz, Ph. D.
Vicerrector de Docencia
Iván Bernal, Ph. D.
PALABRAS DEL EDITOR
Este segundo volumen del año 2019 incluye 6 artículos. Estos artículos de seguro servirán de apoyo a futuras
investigaciones, así como al desarrollo del país, los cuales presentan una diversidad de temas que son indicados
a continuación:
Merizalde y coautores desarrollan un sistema de tratamiento de aguas residuales provenientes de una industria
de papel con base en un reactor biológico rotativo de contacto (RBC). Se caracterizó el agua residual llegando
a la conclusión que dicho efluente no se puede descargar directamente debido a que incumple en las
concentraciones establecidas en el Registro Oficial N° 387 del 4 de noviembre del 2015 de la República del
Ecuador en los parámetros de DBO, DQO, sólidos sedimentables, suspendidos y totales.
Armas y coautores realizan un dispositivo para ayudar a personas con discapacidades. El sistema permite que
una persona con discapacidades controle los dispositivos eléctricos del hogar utilizando solo comandos de
voz. Este sistema se basa en un software de reconocimiento de voz comercial; Los pedidos emitidos por el
usuario se cumplen de forma fiable. Además, un usuario ubicado en una silla de ruedas puede controlar los
movimientos de la misma. Para reducir la complejidad del sistema y no evitar el cableado adicional, el sistema
envía comandos de voz a través de la red eléctrica, lo que facilita su implementación y reduce los costos. Para
el funcionamiento del equipo controlado por señales infrarrojas (R), se diseña un módulo convertidor X10 a
IR. El sistema final permite que la persona con discapacidad motora aumente su independencia y bienestar.
Vera y colaboradores presentan una investigación enfocada en la modelación numérica unidimensional para
flujo no permanente realizada en el programa libre HEC-RAS, considerando información geológica,
glaciológica, vulcanológica y cartográfica actual, generada y recopilada en campo durante los últimos años.
Estos datos han sido analizados y considerados para la definición de los parámetros iniciales que corresponden
a volúmenes e hidrogramas. El modelo numérico calibrado en base al evento histórico de 1877, constituye la
base para la simulación de los escenarios probables de ocurrencia. Los resultados obtenidos permiten la
generación de mapas de afectación referenciales que constituyen un aporte técnico y práctico, ya que pueden
ser utilizados para tomar decisiones acerca de la definición de zonas de afectación, sitios seguros, planificación
territorial, planes de concientización, recuperación y mitigación ante procesos eruptivos futuros del volcán
Cotopaxi que afecten de manera particular el valle de Latacunga.
Landívar y colaboradores realizaron un trabajo que lleva por nombre Perforación Optimizada de Pozos con
un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC, esta investigación se llevó a cabo en los campos ubicados
en la Cuenca Oriente de Ecuador, en donde fueron perforados pozos hasta el año 2015 con taladros de mínimo
1500 HP; para el año 2016 la Empresa Operadora tomó el desafío de optimizar los costos de perforación,
evaluándose la opción de usar un equipo de menor capacidad seleccionándose un taladro de 1000 HP, que
presentaba desventajas en capacidades de torque, levantamiento de cargas, capacidad de mesas y equipos en
general comparados con un taladro de 2000 HP, pero a través de una metodología que consistió en la revisión
de los pozos perforados previamente, planificación efectiva y eficiente, diseño de pozos acordes al equipo de
perforación, generación de una matriz detallada de riesgos de perforación con acciones de prevención y
mitigación, complementada con una gestión operativa enfocada en la identificación de riesgos y de
oportunidades de mejora continua, en complemento la aplicación de tecnologías de punta, permitieron la
viabilidad del uso de este equipo.
Maldonado y colaboradores detallan el proceso para dimensionar un transformador mediante la aplicación de
normas técnicas y criterios basados en la experiencia de fabricantes. Haciendo uso de la herramienta
MATLAB, se desarrolla una interfaz gráfica que permite al usuario diseñar transformadores trifásicos tipo
seco a partir de potencia, voltajes, tipo de conexión y requerimiento de taps en cada devanado. El usuario
obtendrá los parámetros requeridos para la construcción del transformador, tanto del núcleo como de la bobina.
El programa también presenta al usuario el circuito equivalente obtenido de los parámetros de diseño. Se
diseña y construye el transformador indicado para el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia, sobre el
cual se ejecutan pruebas eléctricas para observar que su funcionamiento sea el adecuado y que se encuentra
dentro de las normas establecidas
Villacís y Vásquez realizan la implementación de un programa de protección radiológica en los laboratorios
que utilizan equipos y fuente generadora de radiación ionizante. La exposición laboral en cada área se la
consiguió con los reportes de dosimetría personal del POE y se comparó con los límites permisibles. La
medición de dosimetría ambiental, se realizó con un equipo detector Geiger Müller, en la zona de influencia
de cada área de estudio. Luego se construyó y levantó la información en una lista de revisión en base a los
hallazgos establecidos en los informes de inspección realizados por la SCAN según el reglamento de seguridad
vigente.
Deseamos que el contenido de este volumen sea de interés para nuestros lectores.
Oscar Eduardo Camacho Quintero, Ph.D.
EDITOR
CONTENIDO Vol. 43, No. 1
FEBRERO 2019 – ABRIL 2019
7
Merizalde Edgar; Montenegro Lucía; Cabrera Marcelo
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales Provenientes de una
Industria de Papel
Study of a Wastewater Treatment System from a Paper Industry
15
Armas Elizabeth; Álvarez Robin; Romero Geovanny
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with Motor Disabilities
and Reduced Mobility
Ayudas Basadas en Tecnología de Reconocimiento de Voz para Personas con
Discapacidades Motrices y Movilidad Reducida
23
Játiva Jesús; Maldonado Jonathan; Mena Vanessa
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control de Voltaje en
el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Design and Construction of a Three-phase Transformer for Voltage Control in the
Electrical Power Systems Laboratory
37
Landívar Rodolfo; Loaiza Marco; Valencia Raul
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-
MDC
Optimized Well Drilling with a 1000 HP Rig in the PBHI-MDC Fields
51
Vásquez Sandra; Villacís William
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que
utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el Servicio de
Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Implementation of a Radiological Protection Program in laboratories that use ionizing
radiation equipment and sources and in the Dental Radiodiagnosis Service of the
Escuela Politécnica Nacional
61
Vera Pablo; Ortega Patricio; Casa Edwin; Santamaría Jorge; Hidalgo Ximena
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares Primarios en
el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
Numerical Model and Maps by Primary Lahars in Southern Drainage of Cotopaxi
Volcano
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales Provenientes de una Industria de Papel
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 09/02/2018
Aceptado: 03/01/2019
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCCIÓN
La industria de papel tiene un alto consumo de agua en sus
procesos de producción, generando lodos que están formados
principalmente por pulpa de celulosa, un polímero que
proviene de la madera (Casey, 2000).
El agua arrastra y concentra contaminantes, compuestos
químicos y materia orgánica producida en los diferentes
procesos; por esta razón, si el efluente no es tratado de una
forma adecuada puede aportar un alto impacto ambiental al
recurso agua (Castillo et al., 2012).
La industria de producción de papel tisú tiene un consumo de
agua de 40 m3/t, una generación de sólidos suspendidos de 7
kg/t y una DQO de 55 kg/t, aproximadamente (Casey, 2000).
El Registro Oficial N° 387 del 4 de Noviembre del 2015 de la
República del Ecuador obliga a mantener un control de los
residuos que se producen por las actividades industriales y que
implique grandes impactos al ambiente o a la calidad de vida
de los habitantes, garantizando el buen vivir de todos los
ciudadanos.
El reactor biológico rotativo de contacto (RBC) ha sido
durante muchos años uno de los tratamientos más eficientes
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales
Provenientes de una Industria de Papel
Merizalde, Edgar1; Montenegro, Lucía1; Cabrera, Marcelo1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria, Quito, Ecuador
Resumen: El objetivo de la presente investigación es estudiar un sistema de tratamiento de aguas residuales
provenientes de una industria de papel con base en un reactor biológico rotativo de contacto (RBC). Se caracterizó el
agua residual llegando a la conclusión que dicho efluente no se puede descargar directamente debido a que incumple
en las concentraciones establecidas en el Registro Oficial N° 387 del 4 de Noviembre del 2015 de la República del
Ecuador en los parámetros de DBO, DQO, sólidos sedimentables, suspendidos y totales. Se inició el estudio con un
tratamiento de sedimentación a escala de laboratorio sin la adición de floculantes y coagulantes lo que permitió la
remoción de sólidos sedimentables. Luego pasó a un RBC cuyo volumen inicial fue de 3,0 L: 2,7 L de agua residual
y 0,3 L de inóculo de microorganismos; el tiempo de estabilización de los microorganismos fue de 14 días.
Posteriormente se tuvo un tratamiento por medio de un filtro abierto de arena y grava a escala de laboratorio con una
altura de 55 cm de arena de sílice precipitada. Estos tratamientos permitieron el cumplimiento de la normativa
ambiental para el control de descargas líquidas. Se diseñó el sistema de tratamiento para un flujo de 140 m3/día, el
cual cuenta con un tanque de almacenamiento de 32,67 m3, un sedimentador de 30,00 m3, un RBC de 35,95 m3 con
150 discos de polietileno y dos filtros abiertos de arena y grava de 11,66 m3.
Palabras clave: reactor biológico rotativo de contacto (RBC), contaminantes al agua, inóculo.
Study of a Wastewater Treatment System from a Paper Industry
Abstract: This project aims to study a wastewater treatment system from a paper industry based on a rotating
biological contact reactor (RBC). The wastewater was characterized, concluding that the effluent can’t be discharged
directly because it does not comply with the concentrations established in Registro Oficial N° 387 of November 4,
2015 of the Republic of Ecuador in the parameters of BOD, COD, settle able, suspended and total solids. The study
started with a sedimentation treatment on a laboratory scale without the addition of flocculants and coagulants, which
allowed the removal of settle able solids. Then it went to a RBC whose initial volume was 3.0 L: 2.7 L of wastewater
and 0.3 L of inoculum of microorganisms; the stabilization time of the microorganisms was 14 days. Subsequently,
a treatment was carried out by means of an open filter of sand and gravel on a laboratory scale with a height of 55 cm
of precipitated silica sand. These treatments allowed compliance with environmental regulations for the control of
liquid discharges. The treatment system was designed for a flow of 140 m3/day, which has a storage tank of 32.67
m3, a settler of 30.00 m3, a RBC of 35.95 m3 with 150 polyethylene disks and two open sand and gravel filters of
11.66 m3.
Keywords: rotating biological contactor reactor (RBC), water contaminants, and inoculum.
7
Merizalde, Edgar; Montenegro, Lucía; Cabrera, Marcelo
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
para depurar aguas residuales con alto contenido de carga
orgánica. La remoción de DBO y DQO varía entre 80 y 95%
(Behling et al., 2008), por tal motivo se ha usado como parte
del tratamiento del agua proveniente de una industria de papel.
El RBC está formado por discos inertes de polietileno, que se
encuentran divididos por etapas a lo largo de un eje
longitudinal que giran entre 1 y 4 RPM con la ayuda de un
motor rotativo. En la superficie de los discos se empieza a
formar una biopelícula de microorganismos que son los
responsables de la depuración del agua residual (Deloya,
2001).
El presente artículo expone los resultados obtenidos al realizar
un estudio de un sistema de tratamiento del agua residual con
base en un sedimentador, un reactor biológico rotativo de
contacto y un filtro abierto de arena y grava para dar una
solución efectiva al tratamiento y poder cumplir con las
normas técnicas para el control de descargas líquidas que se
exige en el Ecuador.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales
Todos los reactivos químicos empleados fueron de calidad
analítica. El agua fue destilada antes de su utilización. El agua
residual tratada fue de una fábrica productora de papel tisú.
Las pruebas de sedimentación a escala de laboratorio se
realizaron con ayuda de conos Imhoff de 1 L y una probeta de
1 L.
En el estudio del RBC se construyó un equipo a escala de
laboratorio mediante discos de polietileno, un motor rotativo y
un tanque de PVC como se observa en la Figura 1.
Figura 1. Esquema del tratamiento a escala de laboratorio
El inóculo para el RBC se obtuvo del licor del proceso de una
industria maderera y los nutrientes para los microorganismos
a partir de nitrato de potasio al 10%.
Para las pruebas de filtración a escala de laboratorio se
construyó un filtro de arena y grava mediante una tubería PVC
de 6 in de diámetro, arena de sílice precipitada y grava.
2.2 Métodos
Las mediciones experimentales de los ensayos para los
tratamientos se realizaron por triplicado. Con los resultados
obtenidos se determinaron los valores promedio y las
desviaciones estándar. Se aceptaron los resultados cuando las
desviaciones estándar fueron menores al 10%.
2.2.1 Caracterización físico-química de las muestras de aguas
residuales
Se realizaron análisis de los parámetros físico-químicos del
agua residual mediante los Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater (APHA, 2012) para
DBO, DQO y sólidos: suspendidos, totales y sedimentables.
Los análisis se realizaron en el Laboratorio Nacional de Aguas
y Sedimentos.
2.2.2 Evaluación del tratamiento de sedimentación a escala de
laboratorio
a. Determinación de la altura de interfaz del líquido clarificado
en la sedimentación
Se midió en una probeta 1 L de agua residual, luego se trasvasó
a un cono Imhoff de 1 L; se registraron datos de concentración
de sólidos sedimentables para diferentes tiempos: 5, 15, 25, 40,
55, 70, 90 y 120 min y se reportó en mL/L. (Davis, 2010)
b. Determinación de los sólidos suspendidos en la
sedimentación
Se procedió a tomar 9 L de agua residual y se distribuyó en 9
vasos de precipitación de 1 L de muestra cada uno. Se procedió
a tomar una muestra de 100 mL del sobrenadante con la ayuda
de una pipeta volumétrica para cada vaso de precipitación a
tiempos de: 0, 5, 15, 25, 40, 55, 70, 90 y 120 min. Se realizó
el análisis de sólidos suspendidos mediante el procedimiento
APHA 2540 D.
c. Determinación del tiempo de sedimentación
Para determinar el tiempo de sedimentación a escala de
laboratorio se realizó con base en la norma APHA 2540 F. Se
colocó el agua residual en un cono Imhoff de 1 L, se
registraron datos de concentración de sólidos sedimentables
para diferentes tiempos: 5, 15, 25, 40, 55, 70, 90 y 120 min y
se reportó en mL/L, con tres repeticiones para cada tiempo.
2.2.3 Evaluación del reactor biológico rotativo de contacto
(RBC) a escala de laboratorio
a. Conteo y estabilización de los microorganismos en el RBC
El inóculo para el RBC se obtuvo del licor del proceso de una
industria maderera y se realizó un conteo de microorganismos
mediante cámaras de recuento de Petroff Hauser (GAB
System, 2005).
La muestra inicial se preparó para 3 L de mezcla, compuesta
por agua residual en un 90% (v/v) y el inóculo de
microorganismos 10% (v/v). Estas concentraciones según
Romero (2016) son ideales para iniciar un proceso de
estabilización entre el agua residual y un inóculo de
microorganismos.
8
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales Provenientes de una Industria de Papel
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Para estabilizar el RBC, se encendió el reactor con la muestra
inicial preparada y se dosificó 0,7 mL/min de agua residual,
proveniente del tratamiento de sedimentación, el reactor
funcionó de forma continua. El caudal permitió un contacto
íntimo entre los discos y el agua residual, se tomó una muestra
de 1 L cada día y se procedió a caracterizar las variables de
salida como DBO y DQO. El RBC a nivel de laboratorio tuvo
una capacidad de 5 L.
b. Determinación del flujo inicial de agua residual al RBC
Una vez estabilizados los microorganismos se realizaron
ensayos a escala de laboratorio a diferentes concentraciones de
cargas orgánicas a la entrada del RBC de 35, 45, 55 y 60 g
DQO/m2*día, según lo planteado por Romero, 2016. (p. 620).
Para cada ensayo se determinaron las concentraciones finales
de DQO.
2.2.4 Evaluación de un filtro de arena y grava a escala de
laboratorio
a. Caracterización granulométrica de las arenas para el lecho
filtrante
Se realizaron pruebas de granulometría para dos tipos de arena
sílice: precipitada y fume. Las muestras de arena se vertieron
en juego de tamices con un rango de tamaño de poro entre 0,15
mm a 2,38 mm; y se procedió a tamizar con la ayuda un
agitador mecánico.
Se evaluó la arena con mejor distribución granular para un
rango de coeficiente de uniformidad entre 0,0 a 2,5; mientras
menor sea el coeficiente de uniformidad mejor distribución
tendrá la arena sílice (Coulson y Richardson, 2003).
b. Determinación de la altura efectiva del filtro de arena y
grava
Se dosificó agua residual proveniente del RBC al filtro para
cargas hidráulicas entre 1,74 x 10-5 y 2,89 x 10-5 m/s. Al final
de cada ensayo se determinaron los sólidos suspendidos. La
altura efectiva del lecho filtrante fue la que mejor remoción de
sólidos suspendidos dio como resultado al final del tratamiento
(Coulson y Richardson, 2003).
c. Determinación del tiempo de saturación del filtro de arena y
grava
Se construyó un filtro de arena y grava a escala de laboratorio
mediante una tubería PVC de 6 in de diámetro, la arena de
sílice con mejor distribución granular y grava. (Romero, 2016)
Se procedió a dosificar a los filtros diferentes flujos de agua
residual tratadas por el RBC, con cargas hidráulicas entre 1,74
x 10-5 y 2,89 x 10-5 m/s.
2.2.5 Diseño de un sistema de tratamiento de aguas residuales
Con los resultados obtenidos de las Secciones 2.2.1, 2.2.2,
2.2.3 y 2.2.4; se procedió al diseño de un sistema de
tratamiento de aguas residuales (Metcalf y Eddy, 2003).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Resultados de la caracterización físico-química de las
aguas residuales
Los parámetros que incumplen con los límites permisibles
establecidos en el Registro Oficial N° 387 del 4 de noviembre
del 2015 de la República del Ecuador para el control de
descargas líquidas hacia un cuerpo de agua dulce, un cuerpo
de agua marina o el alcantarillado público son los mostrados
en la Tabla 1 (Correa y Tapia, 2015):
Tabla 1. Caracterización de los parámetros del agua residual junto con
valores norma.
Parámetro Unidad Valor
inicial
Valor
Norma 1
Valor
Norma 2
Valor
Norma 3
DBO mg/L 980,2 250 100 200 DQO mg/L 1707,0 500 200 400
Sólidos totales mg/L 6350,0 1600 1600 No espec.
Sólidos sedimentables
mL/L 221,0 < 1.0 < 1.0 No espec.
Sólidos
suspendidos mg/L 4591,0 220 130 250
Valor Norma 1: Límites de descarga al sistema de alcantarillado público
Valor Norma 2: Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce
Valor Norma 3: Límites de descarga a un cuerpo de agua marina
3.2 Evaluación del tratamiento de sedimentación a escala de
laboratorio
3.2.1 Determinación de la altura de interfaz del líquido
clarificado en la sedimentación
Los sólidos sedimentables entran en un estado de reposo con
respecto al agua residual al minuto 90, debido a que la solución
está saturada de sólidos con una altura de 0,32 m y una zona
de espesamiento de lodos de 0,18 m, como se observa en la
Figura 2.
Figura 2. Curva de altura del líquido clarificado en función del tiempo
3.2.2 Determinación de los sólidos suspendidos en la
sedimentación
La remoción de sólidos suspendidos se observa en la Tabla 2.
9
Merizalde, Edgar; Montenegro, Lucía; Cabrera, Marcelo
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Tabla 2. Porcentaje de remoción de sólidos suspendidos en el sobrenadante
a diferentes tiempos de sedimentación
Tiempo
(min)
Concentración de sólidos
suspendidos (mg/L)
Remoción de sólidos
suspendidos (%)
0 4575 0,00 5 3256 28,83
15 2488 45,62
25 861 81,18 40 581 87,30
55 436 90,46
70 327 92,85 90 298 93,49
120 298 93,49
La remoción de sólidos fue del 93,49 %; un valor alto
comparado con la concentración inicial, debido a que las
partículas del agua residual están formadas en su mayoría por
celulosa de papel, las mismas que tienden a pegarse entre sí
formando flósculos de diámetro relativamente alto para que
puedan precipitar con mayor facilidad. Sin embargo, esta
concentración no es suficiente para poder descargar este
efluente y según lo mostrado en la Tabla 1, referido al
parámetro sólidos suspendidos, por lo que se requiere otro
tratamiento, que es la filtración; la cual se la utilizará luego del
reactor RBC.
3.2.3 Determinación del tiempo de sedimentación
Para los tiempos de 70, 90 y 120 minutos de la
experimentación, las concentraciones de sólidos
sedimentables fueron de 207,7, 218,3 y 220,3 mL/L
respectivamente. La diferencia entre los tiempos de 90 y 120
minutos es mínima de apenas de 2,0 mL/L, cinco veces menor
con respecto al intervalo entre 70 y 90 minutos que fue de 10,6
mL/L. Por lo tanto, se concluye que el tiempo de
sedimentación a escala de laboratorio es de 90 minutos.
3.3 Evaluación del reactor biológico rotativo de contacto
(RBC) a escala de laboratorio
3.3.1 Conteo y estabilización de los microorganismos en el
RBC
El promedio de la concentración de microrganismos presentes
en la muestra del inóculo es de 20,4 x 106 UFC/mL, un valor
adecuado que asegura la existencia de suficientes
microorganismos para comenzar la estabilización microbiana
en el RBC.
La variación de los parámetros de DBO y DQO en función del
tiempo para el proceso de estabilización de los
microorganismos en el reactor se observa en la Figura 3.
Figura 3. Variación de la DBO y DQO en función del tiempo de
estabilización de los microorganismos en el RBC
El tiempo de estabilización de los microorganismos fue de 14
días, un valor que se encuentra dentro del rango de bibliografía
establecido por Castillo et al. (2012), el cual indica que se debe
tomar entre 7 a 30 días (p. 85). El tiempo en tratamientos que
interviene la formación de biopelícula es relativamente alto
con respecto a otros tratamientos biológicos, debido a que la
formación de la película de microorganismos entre el agua
residual y la superficie de los discos requiere de un tiempo
significativo.
3.3.2 Determinación del flujo inicial de agua residual al RBC
Se determinaron los caudales de las diferentes cargas
orgánicas con valores de 35, 45, 55 y 60 g DQO/m2*día, los
caudales fueron: 10, 13, 16 y 18 mL/min respectivamente. Los
resultados de la concentración de la DQO al final del
tratamiento facultativo se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Resultados de los ensayos realizados a diferentes caudales de
entrada al RBC para una DQO inicial de 1082 mg/L
Ensayo N. Caudal de entrada
al RBC (mL/min)
DQO del
afluente (mg/L)
Remoción de
DQO (%)
1 10 122,67 88,66
2 13 187,77 82,65 3 16 245,98 77,27
4 18 383,67 64,54
El caudal de 10 mL/min muestra una mejor eficiencia de
remoción de la DQO con un 88,66 %. Lo que demuestra una
vez más que los microorganismos lograron estabilizarse de una
forma adecuada con el agua residual de la fábrica productora
de papel en el RBC.
3.4 Evaluación de un filtro de arena y grava a escala de
laboratorio
3.4.1 Caracterización granulométrica de las arenas para el
lecho filtrante
Se determinaron los coeficientes de uniformidad y de
curvatura para cada muestra de arena de sílice: precipitada y
fume. El coeficiente de uniformidad (Cu) debe estar en un
rango entre 0 y 2,5 para que el lecho filtrante no sufra grandes
pérdidas de carga en el proceso de filtración con lo que se
incrementa la eficiencia (Coulson y Richardson, 2003).
El valor de Cu para las arenas de sílice precipitada fue de 2,30,
mientras que para las arenas de sílice fume fue de 3,10. Por lo
10
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales Provenientes de una Industria de Papel
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
tanto, la muestra de arena de sílice precipitada reportó un
mejor coeficiente de uniformidad, lo que significa que tiene
una mejor distribución granular con respecto a la muestra de
arena fume; por lo tanto, se decidió que la arena de sílice
precipitada se va usar como lecho filtrante para el filtro.
3.4.2 Determinación de la altura efectiva del filtro de arena y
grava
La concentración de sólidos suspendidos del agua residual a la
salida del filtro, para caudales de 20 mL/min y 25 mL/min, en
función de las alturas del lecho de la arena de sílice precipitada
se observa en la Figura 4.
Figura 4. Concentración de sólidos suspendidos para diferentes alturas de
lecho con caudales de entrada de agua residual de 20 y 25 mL/min
La remoción de sólidos suspendidos en función de la altura de
lecho de arena de sílice precipitada, para los caudales de 20 y
25 mL/min, prácticamente tiene la misma tendencia. Dichas
curvas se superponen debido a que la altura efectiva solo
depende de la concentración inicial de sólidos y para ambos
caudales es de 181 mg/L (Coulson y Richardson, 2003).
La altura efectiva es una variable de diseño importante para no
sobredimensionar a un filtro. La prueba a escala de laboratorio,
reportó una altura efectiva de 55 cm para los dos caudales, a
partir de esta altura la concentración de sólidos se mantendrá
constante con una concentración promedio de 62,5 mg/L
3.4.3 Determinación del tiempo de saturación del filtro de
arena y grava
Se construyó un filtro a escala de laboratorio con un diámetro
de 0,15 m, una altura de arena de sílice precipitada de 55 cm y
grava como soporte del filtro. Otra variable de diseño
importante es el tiempo de saturación del filtro para prevenir
posibles pérdidas de carga y un mal funcionamiento del mismo
(Romero, 2016). La tendencia de saturación del filtro por
sólidos suspendidos en función del tiempo, para caudales de
20 y 25 mL/min, se observa en la Figura 5.
Figura 5. Tiempo de saturación del filtro de arena y grava a partir de
caudales de 20 y 25 mL/min
Los resultados de la caracterización de los parámetros físico-
químicos del agua residual al inicio y final del sistema de
tratamiento a escala de laboratorio, junto con los % de
remoción y la comparación de cumplimiento de norma se
muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Caracterización inicial y final de los parámetros del agua residual
luego del sistema de tratamiento a escala de laboratorio.
Parámetro Unidad Valor
inicial
Valor
final
Remoción
(%)
Cumpli-
miento
DBO mg/L 980,2 88,2 91,01 SI DQO mg/L 1707,0 116,2 93,14 SI
Sólidos totales mg/L 6350,0 223,0 96,48 SI
Sólidos sedimentables
mL/L 221,0 0,7 99,68 SI
Sólidos
suspendidos mg/L 4591,0 61,0 99,66 SI
El agua residual proveniente de una industria de papel
sometida a un sistema de descontaminación con base en los
tratamientos de sedimentación, RBC y filtro granular, mostró
una disminución en la concentración de los parámetros del
agua residual con porcentajes superiores al 90%
aproximadamente para: DBO, DQO, sólidos totales, sólidos
sedimentables y sólidos suspendidos.
En la Tabla 6 se muestran los parámetros óptimos obtenidos a
nivel de laboratorio para el tratamiento de aguas residuales de
una fábrica de papel tisú.
Tabla 6. Parámetros óptimos a nivel de laboratorio para del tratamiento.
Parámetro Valor Unidad
Tiempo de sedimentación 90 minutos
Concentración de microorganismos en el inóculo 20,4 x 106 UFC/mL Volumen inicial de agua residual en el RBC 2,7 L
Volumen inicial de inóculo en el RBC 0,3 L
Dosificación de agua residual para estabilizar RBC 0,7 mL/min Tiempo de estabilización de m/o en RBC 14 días
Caudal de entrada de agua residual al RBC 10 mL/min
Altura del filtro de arena y grava 55 cm Diámetro del filtro de arena y grava 15 cm
3.5 Diseño de un sistema de tratamiento de aguas residuales
Las operaciones unitarias del diagrama PFD se encuentran
codificadas con letras y números para poder identificarlos
(Páez, 2013). El diagrama de flujo PFD del sistema de
tratamiento de aguas residuales se observa en la Figura 6. El
control automático se implementó para tener un
11
Merizalde, Edgar; Montenegro, Lucía; Cabrera, Marcelo
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
comportamiento predefinido y mejorar el desenvolvimiento
del sistema (Sánchez, 2006).
Figura 6. Diagrama de flujo del proceso para el tratamiento del agua residual de una industria de papel
4. CONCLUSIONES
Los parámetros iniciales físico-químicos del agua residual
fuera de norma fueron: 980,2 mg/L para la DBO; 1707,0 mg/L
para DQO; 6350,0 mg/L para sólidos totales; 4591,0 mg/L
para sólidos suspendidos; 221 mL/L para sólidos
sedimentables. Estos valores superan el límite máximo
permisible para descargas líquidas hacia un cuerpo de agua
dulce, cuerpo de agua marina o alcantarillado público,
destallado en el Registro Oficial N° 387 del 4 de Noviembre
del 2015 de la República del Ecuador.
El conteo inicial de los microorganismos presentes en el
inóculo procedente de una industria maderera fue de
20,41E+06 aproximadamente. Este valor fue óptimo para
empezar el proceso de estabilización microbiana en el reactor
biológico rotativo de contacto.
La estabilización del inóculo de microorganismos con el agua
residual para una concentración inicial del 10% v/v, tuvo un
tiempo de 14 días dentro del rango establecido en bibliografía.
Así pues, se demostró que la compatibilidad entre el inóculo y
el agua residual en el reactor biológico rotativo fue adecuada.
En el reactor biológico rotativo de contacto a escala de
laboratorio, el mejor flujo de agua residual a la entrada fue de
10 mL/ min con un porcentaje de reducción del 88,66 % para
la DQO.
La altura efectiva del lecho de arena a escala de laboratorio fue
de 55 cm y presentó una remoción de sólidos suspendidos del
66,75 %.
El sistema de tratamiento con base en un reactor biológico
rotativo de contacto, obtuvo una eficiencia de depuración del
91,01 % para la DBO; 93,14 % para la DQO; 96,48 % para los
sólidos totales; 99,68 % para los sólidos sedimentables y 99,66
% para sólidos suspendidos, por lo que permitió el
cumplimiento con las normas técnicas para el control de
descargas líquidas.
REFERENCIAS
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Ed). New York, EEUU.
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Investigaciones Biológicas, 42(2), 243-255 Casey, P.J. (2000). Pulpa y papel: Química y tecnología química. (4ta. Ed.).
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12
Estudio de un Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales Provenientes de una Industria de Papel
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Páez, M. (2013). Manual para el estudiante de diseño de plantas industriales
(1era. ed.). Quito, Ecuador: EPN.
Romero, J. (2016). Tratamiento de aguas residuales: Teoría y principios de
diseño. (3era. Ed). Bogotá, Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería.
Sánchez, J. (2006). Instrumentación y control avanzado de procesos (1era.
ed.). Madrid, España: Díaz de Santos.
BIOGRAFÍAS
Marcelo F. Cabrera J. Nacido el 05 de
marzo de 1986 en Quito-Ecuador, fue el
mejor graduado de la Unidad Educativa
“Jean Jacques Rousseau”, promoción
2003-2004. Continuó sus estudios de
pregrado en la Escuela Politécnica
Nacional, obteniendo el título de
Ingeniero Químico Aprobado Cum
Laude. Finalmente obtuvo su título de posgrado en la
Universidad Internacional SEK como Magíster en Gestión
Ambiental. Ha trabajado en Incinerox, Chemeng y Escuela
Politécnica Nacional donde hasta la actualidad labora como
docente en la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria.
Lucía Montenegro Aguas. Ingeniera
Química, Magister en Ingeniería
Ambiental ha sido docente por 24 años
en la EPN de las cátedras de
Transferencia de Calor, Control de la
Contaminación del Aire entre otras.
Cuenta con la Certificación de
Evaluador de la Norma ISO 17025 para
laboratorios. En referencia a las publicaciones las ha realizado
en la “Revista Politécnica” y en la “1st International
Conference on Water and Sustainability” con temas
relacionados al Tratamiento de aguas y Remediación de
Suelos. Ha dictado más de 20 seminarios y conferencias de
Monitoreo Ambiental; y dirigido más de 40 proyectos de
titulación en temas de Transferencia de Calor, Refinación del
Petróleo y Contaminación Ambiental.
Edgar Omar Merizalde Acuña. Nacido en Quito el 19 de noviembre de
1988. Actualmente llevo dos años de
casado y tengo una hija de un año tres
meses. Me gradué de ingeniero Químico
de la Escuela Politécnica Nacional en
diciembre del 2015 y de Master en
dirección de operaciones y calidad de la Universidad
Internacional de la Rioja en marzo del 2019. Mi profesión se
ha enfocado tanto en la investigación y desarrollo como en la
mejora de procesos. Elaboré del 2015-2017 como analista de
procesos en Familia Sancela, del 2017-2018 como analista de
investigación y desarrollo en laboratorios Rene Chardon y
desde el 2017 hasta la actualidad como analista líder de
Pharmaceutical Technology Development en Grunenthal
Ecuador.
13
14
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with Motor Disabilities and Reduced Mobility
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 24/11/2018
Aceptado: 02/12/2018
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCTION
Although the automation of homes is a technology that has
taken great strides, there is still no product aimed at people
with some degree of physical disability.
For a person without any physical limitation it is easy to
perform daily activities such as: activating and deactivating
loads, opening and closing curtains, controlling television and
all types of devices controlled by infrared (IR) rays, this is not
the case for people with motor disability or reduced mobility
for whom the relief it would represent, including their families,
the existence of a system that will help them overcome their
limitations, would be very considerable.
In order to meet this objective and so that this group can
achieve that autonomy so longed for, this paper describes the
way to manage devices within your home using only voice
commands, proving that our system is reliable, easy
installation and simple operation.
This system is designed so that both people with normal
abilities and the person with special abilities can operate all
existing devices in the home, so that any failure in the system
controlled by voice, does not interfere with the normal
operation used for the rest of the household members.
After performing a search on products related to home
automation control using voice commands, the only existing
system as a commercial product is called SpeakHome (Alhena,
2012), which has been developed by the company Alhena
engineering together with the company Nuance, a
multinational manufacturer of voice recognition products,
however, when you try to enter this website, there are no
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with
Motor Disabilities and Reduced Mobility
Armas, Elizabeth1; Álvarez, Robin2; Geovanny, Romero1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Electrónica y Control, Quito, Ecuador
2 Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicación, Quito, Ecuador
Abstract: For a person without any physical limitation, it is easy to perform daily activities, but not for people with
disabilities. In order to solve this problem, the present system allows a person with disabilities to control household
electrical devices only using voice commands. This system is based on a commercial voice recognition software; the
orders issued by the user are fulfilled in a reliable way. In addition, a user located in a wheelchair can control the
movements of it.
To reduce the complexity of the system and avoiding additional wiring, our system sends voice commands through
the electric network, facilitating its implementation and reducing costs. For the operation of equipment controlled by
infrared signals (R), an X10 to IR converter module was designed. The final system allows the person with motor
disability to increase his independence and wellbeing.
Keywords: disability, control, technology, voice command, independence
Ayudas Basadas en Tecnología de Reconocimiento de Voz para
Personas con Discapacidades Motrices y Movilidad Reducida
Resumen: Para una persona sin ninguna limitación física, es fácil realizar actividades diarias, pero no para personas
con discapacidades. Para resolver este problema, el sistema actual permite que una persona con discapacidades
controle los dispositivos eléctricos del hogar utilizando solo comandos de voz. Este sistema se basa en un software
de reconocimiento de voz comercial; Las órdenes emitidas por el usuario se cumplen de forma fiable. Además, un
usuario ubicado en una silla de ruedas puede controlar los movimientos de la misma.
Para reducir la complejidad del sistema y evitar el cableado adicional, nuestro sistema envía comandos de voz a través
de la red eléctrica, lo que facilita su implementación y reduce los costos. Para el funcionamiento del equipo controlado
por señales infrarrojas (R) se diseñó un módulo convertidor X10 a IR. El sistema final permite que la persona con
discapacidad motora aumente su independencia y bienestar.
Palabras clave: discapacidad, control, tecnología, comando de voz, independencia.
15
Armas Elizabeth; Álvarez Robin; Romero Geovanny
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
demonstration’ videos or manuals that allow you to observe
the real capabilities of this system, information about software
license costs, so there are doubts about the existence or actual
availability of said system.
On the other hand, the following patents related to systems
commanded by voice, do not have associated commercial
products: patent EP2863586A1 (OH, 2014) has a network of
microphones, each of these carries the voice signal coming
from the user to its respective recognition circuit voice.
Although in this case the user can be located anywhere in the
building and does not need to carry a microphone, voice
recognition systems using chips are not very reliable, since it
depends on the distance between the user and the microphone
and, because having previous training also depends on the age
of the user (child, adolescent, adult, older adult) and gender
(male or female).
In our case, since the system is oriented to a home in which
there is a person with a disability, it can be located anywhere
at home, since it is wearing a wireless microphone, therefore,
the network of microphones no longer it is necessary. The rest
of people with normal abilities can command all the devices
manually. The two systems: the one of manual control and the
one controlled by voice commands, coexist without any
problem.
In patent WO 2004/084114 A1 (DOMENECH, 2004) the
computer is connected via internet to the control unit and the
controlled household devices are connected to each other
through an Ethernet network, forming a domestic network. In
addition, this project has a user interface that shows the status
of each of devices that make up the system. In our case, the
voice commands issued by the user are transmitted to a
controller technology device Power Line Communication
X10, this device is connected to the power grid easily; the
system does not depend on internet connection. It is important
to emphasize that no additional wiring installation is required,
or any additional control card or device, thus reducing the
complexity of the system and easily allowing the system to be
scalable.
In WO 03/001839 A1 (LEE, 2003) there is a remote control,
which includes: a user interface unit, which receives a control
signal; wired and wireless transmission / reception units for the
transmission of the control signal from the user interface to the
corresponding unit; and to receive the status signals of the
corresponding devices, there is a central processor. In addition,
the processor allows: control of the user interface, storage data
and work with the display unit. The user interface shows: a
menu for controlling the loads, the current status of the
controlled devices and whether new devices have been added
or deleted from the system. The user selects on the display
screen the particular apparatus to be controlled and performs
all the required control actions. In our case, we also have a user
interface that is responsible for performing the following tasks:
receiving and interpreting the voice commands issued by the
user, and transmitting them to an X10 technology controller
device, which is connected to the electrical network. This
device causes the orders issued by the user to be transformed
into digital signals that travel through the existing electrical
network in the house. In this way, the issued commands reach
an X10 receiver device, which is connected to the electrical
network and to the device that the user wishes to control. The
transmission / reception of the control signals by the electrical
network is more reliable than the transmission / reception by
wireless technology.
In the patent EP2863586 A1 (OH, 2014), the monitoring
system includes multiple voice sensors, each of which
incorporates a speech recognition circuit, each sensor can be
installed in a different room to collect the voice commands of
the users and send the control signal to the main controller of
the process. The main controller in turn can communicate with
several control subsystems scattered throughout the building.
In response to the recognition of a verbal command, a coded
representation is transmitted to an apparatus of the system,
upon receipt of the signal, the control apparatus carries out the
requested command or provides the requested information.
The control devices have wireless technology to communicate
with the set of sensors. In our system, the person with physical
disability or reduced mobility issues voice commands through
a microphone, using commercial voice recognition software,
and therefore achieves a very high level of reliability, even in
an environment of considerable noise impossible to be
achieved through hardware-based systems (voice recognition
chips). The voice commands issued by the user are received
and interpreted and transmitted to a Power Line
Communication (X10) technology controller connected to the
electricity network. This device causes the commands issued
by the user to be transformed into digital signals that travel
through the network. This is a means of reducing the
complexity of the installation of the system.
After this review of the state of the art and taking advantage of
the current development of technology, it is determined that
this system does contribute greatly to the needs of people with
motor disabilities since it allows them to be self-sufficient in
the following activities:
- To move using an automatic wheelchair.
- To command several electrical devices in the home.
- To be able to inset in the work environment taking advantage
of the potentialities of computer applications.
2. METHOD AND PROCEDURE
According to Figure 1, this system comprises:
2.1 Voice recognition system:
The person with physical disability or reduced mobility issues
voice commands through a microphone [Figure 1. 1a]. These
orders arrive at the following destinations:
a) To the computer of the wheelchair [Figure 1. 1c] that is of
very small dimensions and which is responsible for
controlling its movements in all directions: forward,
backward, turn to the right, turn to the left and stop. This
communication is done in a wireframe way.
b) To the home computer [Figure 1. 1b] that is responsible
of controlling all the electronic devices inside it, that is, it
16
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with Motor Disabilities and Reduced Mobility
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
carries out the home automation control: lights, curtains,
heater, fan, sound equipment, TV, etc. This
communication is done wirelessly.
Figure 1. Control system architecture through voice commands aimed at people with physical disabilities or reduced mobility that allows you to move in your
wheelchair, control household devices and also computer programs.
In the speech recognition part, our system employs speech
recognition software [Figure 1. 1d], the same one is installed
both in the computer of the wheelchair [Figure 1. 1c]; as well
as, in the computer located in the home [Figure 1. 1b].
2.2 Transmission of voice commands to control the movement
of the wheelchair.
In the computer of the wheelchair [Figure 1. 1c], to control the
movement of this, we have a program made in a visual
environment [Figure 1. 3a] that is responsible for receiving the
commands issued by the user through the wired microphone
[Figure 1. 1a]; and, through the serial port of the computer, a
DC motor controller is connected and operated [Figure 1. 3b],
which is in charge of controlling the two motors of said electric
wheelchair. In this way, depending on the drive of one or other
of these engines, the user can move in any direction: forward,
backward, left, right, make turns at a certain angle, control the
speed of travel and stop.
Additionally, when the user goes in his wheelchair from one
point to another, due to many factors such as the difference in
the degree of friction in the wheels, he suffers a deviation that
must be constantly compensated by the user.
To avoid this problem, a method was developed to linearize
the trajectory of this movement and that is based on an
electronic compass [Figure 1. 3c] whose data feed the program
that drives the DC motor controller [Figure 1. 3b]. Thus, the
straight line travel from one place to another is completely
guaranteed.
To define the model of the robot are considered linear (1) and
angular speeds (2), of the mobile robot that are replaced in (3),
(4) and (5).
𝑣 = 𝑅𝑉1 + 𝑉2
2
(1)
𝑤 = 𝑅𝑉1 + 𝑉2
𝐿 (2)
Where 𝑉1 and 𝑉2, are the speeds of the wheels, 𝑅 is the radius
of the wheel and 𝐿 is the distance between the wheels.
= 𝑣 × 𝑐𝑜𝑠𝜃 (3)
= 𝑣 × 𝑠𝑒𝑛𝜃 (4)
∅ = 𝑤 (5)
Additionally, a rotation matrix is proposed (Eq. 6, 7) for when
the user's voice command is to rotate a certain angle.
[𝑦
∅
] = [cos 𝜃 0𝑠𝑒𝑛𝜃 0 0 1
] [𝑣𝑤
] (6)
[𝑦
∅
] = [cos 𝜃 0𝑠𝑒𝑛𝜃 0 0 1
] [𝑅
𝑉1 + 𝑉2
2
𝑅𝑉1 + 𝑉2
𝐿
] (7)
To obtain the matrix (8) that determines the direct kinematic
model of the differential robot (wheelchair), the rotation and
velocity matrices obtained are multiplied and based on this
model, the chair's movement control system is performed.
With the model obtained for the wheelchair works in Matlab
for the calculation of the proportional, derivative and integral
constants, with these values we work in the programming of
the DC motor controller in closed loop. For the feedback the
electronic compass is used that reads every time the value of
the measured angle that is expressed in x and y coordinates,
with the reference angle that depends on the rotation desired
17
Armas Elizabeth; Álvarez Robin; Romero Geovanny
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
by the user it is possible to determine the error and perform the
respective control.
[𝑦
∅
] =
[ 𝑅
cos 𝜃
2 𝑅
cos 𝜃
2
𝑅sen 𝜃
2 𝑅
sen 𝜃
2
𝑅
𝐿 −
𝑅
𝐿 ]
[𝑤1
𝑤2] (8)
Finally, the four distance sensors solve the problem of safety
in the movement of the user in his motorized chair [Figure 1.
4a, 4b, 5a and 5b]. These are ultrasonic sensors that work at a
frequency of 42 KHz, which integrate the receiver and
transmitter into a single transducer and have a measuring range
from 0 to 6 meters. The reading of the distance data can be
acquired by PWM, analog or serial output.
2.3. Transmision / reception of voice commands for the control
of loads with the home (Domotic System)
In the home computer [Figure 1. 1b], which is responsible for
home automation control, there is another program performed
in a visual environment [Figure 1. 2a] that is responsible for
performing the following tasks: receiving and interpreting the
voice commands issued by the user and transmitting them to a
controlling device [Figure 1. 2b] of Power Line
Communication technology (X10) that is connected to the
electric network [Figure 1. 2c]. This device causes the orders
issued by user to be transformed into digital signals that travel
through the existing electrical network in house. In this way,
the orders issued reach an X10 receiver device [Figureure 1.
2d] that is connected to the electricity network and will allow
the control of an on / off device [Figure 1. 2e], for example, a
luminaire, a heater, a fan, etc.
In the case of artifacts controlled by infrared (IR) signals
[Figure 1. 2f]: TV, sound equipment, blinds, air conditioning,
etc., an X10 to IR converter module is used [Figure 1. 2g] that
receives the X10 commands and translates them to IR code.
This converter module X10 to IR, for the case of 110 Volts of
alternating current, is designed and built exclusively to fit the
requirements of this invention. To fulfill this objective, a
module is required that allows not only transmit but receive an
X10 frame, so it uses a bidirectional module that connects to
the electrical network. Once the order X10 has been received,
it must be converted to IR, but first we must know what the IR
order consists of. Each manufacturer uses different IR codes in
their electronic devices, for example, Philips, developed the
protocol RC5, RC6 and REC80 at a carrier frequency of 36
KHz; while Sony uses bit-width encoding, which consists of
modulating an infrared signal of 40 KHz. In order to address
this problem, regardless of the manufacturer, we capture the
IR order by means of an IR receiver diode and visualize it on
an oscilloscope, (the oscilloscope is used only for design the
module X10 to IR ). This is done for each of the commands of
each of the IR devices. Subsequently, this process was
automated through a system based on microcontroller.
The captured information (sequence of ones and zeros logical
and their times) is implemented in a microcontroller and in this
way any remote control corresponding to a determined IR
device, can already be replaced by our IR module. The
diagram of the module that transforms the signal X10 to IR
[Figure 1.2g], is shown in Figure 2.
To indicate how to generate the signals in the microprocessor,
we will work with the coding to turn off the LG sound
equipment (Figure 3), this signal is formed by the header and
the frame.
Figure 2. Diagram of the X10 to IR converter module (2g) that receives X10
commands and translates them into IR code. This converter module does not exist in the market, so it was designed and built by us exclusively for this
project.
Figure 3. Logical sequence of 1s and 0s of the infrared signal to turn off the
equipment.
First, the times of the header are analyzed in an oscilloscope
and it is determined that the times in low must be generated by
a burst of pulses with a period of 13 μs, this because each pulse
has a frequency of 38 KHz. (Figure 4), while the high time is
a single 4.7 ms pulse.
Figure 4. IR command header times to turn off LG sound equipment
Now the IR frame is constructed (Figure 4), for which it is
determined that the difference between a one and a zero is the
time in low. A "1" is encoded as 600us of "pulses" and 1800us
in low (Figure 5), whereas a "0" is encoded as 600us of
"silence" and 600us of pulses (Figure 6).
18
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with Motor Disabilities and Reduced Mobility
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Figure 5. Coding of a logical one
Figure 6. Coding of a logical zero
To use this module in the home automation control, each of
the orders of each of the devices has an assigned address and
depending on this, the corresponding IR order must be issued,
for example:
If address code = 1 and function code = on; Turn on TV
If address code = 1 and function code = off; Turn off TV
If address code = 2 and function code = on; Volume TV
If address code = 2 and function code = off; Channel TV
Etc….
2.4. Transmission of voice commands for the management of
computer programs.
Using a speech recognition software [Figure 1. 1d], it is
possible to control several of the programs installed in the
home computer [Figure 1. 1b] and use them to generate text
documents, surf the Internet, make phone calls, etc. These
capacities make a very high probability of labor insertion of
the person with motor disability or reduced mobility.
The voice commands for this part of home automation control
can be: turn on / off luminaires, activate / deactivate electrical
loads (heaters, fans, etc.), open / close doors. In the case of IR
devices [Figure 1. 2f], for example the TV, the phrases
pronounced by the user correspond to the actions that are
carried out, adding their location since there may be several
devices of these in several places of the home, for example:
"turn on/off the TV of bedroom "," raise/lower volume of the
bedroom television "," raise/lower channel of the bedroom TV
", etc. In the same way, it will happen for IR devices such as:
sound equipment, curtains, blinds, air conditioning, etc.).
It is important to emphasize that no additional wiring
installation or any additional control card or device is required
for the implementation and operation of the system.
3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1 Results
- The wireless microphone used has a range of 35 meters
indoors, within this range the voice recognition does not
present any problem, but for longer distances the recognition
is degraded.
- With respect to speech recognition, orders with different
noise levels are issued, which can originate from the TV,
sound equipment or conversations of family members,
indoors, or any source of street noise for the case of outside.
All the tests were successful, even in the face of high noise
levels produced on the street, this depends largely on the
placement of the microphone and the degree of training of
speech recognition software that even allows introducing
additional error correction for particularly words suited to our
needs. The wireless microphone used has a range of 35 meters
indoors, within this range speech recognition does not present
any problem, but for greater distances the recognition is
degraded.
- For the transmission of the X10 signal, since the X10
controller and X10 receiver are connected in the same phase,
signal level is high and the code that is transmitted is more than
enough for the system to operate reliably.
- The performance of the X10 to IR converter, if line of sight
is guaranteed between the transmitter and receiver, is
satisfactory and does not give any problem.
The final project has reached the following characteristics:
- Independence of third people: Since everything is controlled
only by voice commands, the present system represents a
solution to overcome the limitations of a person with motor
disability or reduced mobility, obtaining a high degree of
independence from third parties and a very high probability of
employment. Consequently, all this will bring relief and
support for family members or people who assist him.
- Versatility: This system is designed so that manual control
and voice control coexist and are independent. In this way, any
failure in the voice-controlled system does not interfere with
normal operation.
- Invention and innovation: This project is innovative for the
following reasons:
• Because it allows you to perform all tasks within the home
using only voice commands.
• For devices operated by infrared (IR) rays, such as a TV, the
change is made from protocol X10 to IR through a module
designed and built in this project, since these have not yet been
developed commercially. The IR codes corresponding to a
specific IR device, whatever it may be, are extracted by means
of a visualization procedure in an oscilloscope. In this way,
once all the necessary codes have been extracted, any
command of said device can be executed (for example: turn it
on / off, increase / decrease its volume, change the channel,
etc.), using voice commands.
• Although in the market there are automated electric
wheelchairs (controlled by joysticks), this project is the only
one capable of controlling the movement of the electric
wheelchair, only with verbal commands from the user.
19
Armas Elizabeth; Álvarez Robin; Romero Geovanny
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
• The system has a method to linearize the movement of the
wheelchair, so that the user goes from one point to another
without deviating. The developed method, nonexistent in
products associated with automatic chairs, is based on the
operation of an electronic compass that allows knowing and
maintaining the desired orientation.
- Reliability: For voice recognition, the system uses
commercial software that requires prior training and therefore
achieves a very high level of reliability, even in environments
of considerable noise.
- Ease of implementation and economy: Since the voice
commands issued by the user travel through the existing
electrical network in the house, no additional installation of
wiring is required and therefore its implementation is reduced
to the installation of software and the connection of X10
technology equipment whose cost is reduced and as
commercial equipment is minimized any possibility of failure,
common situation in the design and implementation of own
hardware. It is estimated that, for a family house of four
members, the investment is: $ 3000 broken down as follows:
Wheelchair ($ 1000), motor controller ($ 400), 2 computers ($
1000), X10 modules ($ 600).
3.2 Discussion
In the market there are some domotic management systems
that can be classified into two groups: those that allow domotic
control through keyboards (from a keypad, a cell phone, an
iPad, etc.) and those that do it through transmission /reception
of voice commands. These systems can be installed in certain
areas of an environment such as: rooms or specific areas of a
building, offices, hotels, etc., with what is intended to
automate the creation of scenes of lighting, air conditioning,
ventilation, security, etc. In general, these domotic systems
commanded by voice do not require the use of a wireless
microphone, which can initially be considered as an
advantage; however, they are used only in small environments.
For the case of using them in large environments, for example
a whole house or a building, a network of microphones is
required, which complicates the installation of the system
terribly.
Additionally, these speech recognition systems are based on
speech recognition chips, which may also seem to be an
advantage since they do not require prior training that allows
adaptation of the voice characteristics of the user; However,
this characteristic operates negatively because its reliability is
drastically reduced by depending on the age of the user (child,
adolescent, adult, older adult) and gender (male or female).
Another disadvantage is that, due to the lack of previous
training, these systems have an acceptable degree of reliability
only in environments with a very low noise level, that is, if we
have, for example, conversations or background music, their
degree of Reliability is reduced considerably making them
inappropriate for applications aimed at people with disabilities
since in these cases high reliability is required.
Finally, since the purpose of these commercial systems is to
facilitate the lives of people or even claim to be luxury items,
none is intended to facilitate the lives of people with motor
disabilities or reduced mobility, for example, if a user with
these characteristics go out in the wheelchair, both for its
mobility and the amount of external noise, it would be
impossible for one of the aforementioned systems to be
adapted to these requirements.
In our case, since the system is oriented to a house in which
there is a person with physical disability, it can be located
anywhere at home, since it is wearing a wireless microphone,
and, therefore, the idea of the network of microphones is no
longer necessary, so the complexity of the system and its
installation is very simple. Additionally, when using a
software-based speech recognition system that requires about
40 minutes of training, according to the tests performed, its
reliability is very high, even in a very high noise environment
such as that on the street. The rest of people with normal
abilities can command all the devices manually and the two
systems (manual control and control by voice commands),
coexist without any problem.
Another great advantage of this project is that the voice
commands issued by the user travel through the pre-existing
electrical network in the house, so no additional wiring
installation is required, which translates into ease of
installation and reduction of costs.
4. CONCLUSION
The developed project is a technological alternative to improve
the quality of life of disabled people since through voice
commands the user can perform daily activities at home and
manage the computer.
By using speech recognition software increases the accuracy
and effectiveness in the performance of this task, and being an
essential part of the system ensures excellent control of all
household appliances. While software weakness is that it is
unipersonal, in return there are great advantages such as:
unlimited word recognition, vocabulary correction, and great
accuracy in recognition.
A great advantage of the system is that the user should not be
next to the computer to issue the orders, that is, user can
control the devices from anywhere in his house, regardless of
the obstacles (walls, doors, etc.) thanks to the fact that Wireless
audio system works on a range frequency of 614 MHz – 662
MHz.
A system was obtained in which both manual control, which
serves members with normal abilities, coexist, and control by
voice commands, which serves the person with disability in
the four members. Having manual control is very important
since, in case of any failure in the voice control system, the
possibility of manual control is not lost.
The converter module from X10 to IR allows to control the
television, sound equipment, curtains and any equipment
handled by infrared: it is only required that the microcontroller
reads the X10 frame and converts to an IR frame that will be
transmitted to the corresponding IR commands.
20
Aids Based on Speech Recognition Technology for People with Motor Disabilities and Reduced Mobility
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
With the speech recognition tests it is determined that the
indoor range is approximately 35 meters, within this range the
speech recognition does not present any problem. With respect
to noise immunity, recognition is not affected by high noise
levels, with high performance.
The system has almost reached a level of finished product that
will be made available to people with motor disabilities and
reduced mobility, as soon as financial resources are obtained
to implement it in a massive way.
The people who will benefit from this project are not only
people with motor disabilities and reduced mobility but also
provide relief and support to their relatives or people who
assist them.
ACKNOWLEDGMENT
To the Escuela Politécnica Nacional for the support in the
patent process of this project.
REFERENCIAS
ALHENA Simply Smarth Homes [Webpage]. Disponible: http://www.alhenaing.com/.
DOMENECH, E., LECUMBERRI, I. and ZAMORA, L. (2004)
Procedimiento y sistema interactivo de control de dispositivos domésticos. ES., Patente WO 2004/084114 A1. (G06F 19/00).
GRAHAM, S. and MILLER, S. (2003) Method and system for voice control
enabling device in a service discovery network. Patent US. US006654720B1. (G10L 21/100).
LEE, K., LIM, H., KOO, I., KIM, W. and KANG, H. (2003) Multipurpose
remote controller and method for controlling the same. US. Patent WO 03/001839 A1. (H04Q 9/00).
OH, E. and ZAKREWSI, S. (2014) Building automation systems with voice
control. Patent US. EP 2863586 A1. (H04L 12/28).
BIOGRAPHIES
She was born on September 28, 1985,
Quito-Ecuador. Engineer in Electronics
and Control – Escuela Politécnica Nacional
(Quito-Ecuador). Master in Robotics and
Mechatronics – Escuela Politécnica
Nacional (Quito-Ecuador).
He was born on April 2, 1969, Cayambe -
Ecuador, Engineer in Electronics and
Telecommunications - Escuela Politécnica
Nacional (Quito-Ecuador); Master in
Telecommunications Engineering –
Universidad de Cantabria (Santander-Spain);
PhD in Telecommunications Engineering –
Universidad Politécnica de Madrid (Spain); Postdoc -
University of California - Berkeley (USA).
He was born on February 10, 1980, Cayambe
- Ecuador. Engineer in Electronics and
Control - Escuela Politécnica Nacional
(Quito-Ecuador). Master in Robotics and
Mechatronics – Escuela Politécnica Nacional
(Quito-Ecuador).
21
22
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control de Voltaje en el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 22/11/2018
Aceptado: 03/01/2019
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCCIÓN
Mantener el voltaje de la carga dentro de los límites permitidos
es cada vez más un reto para los operadores de sistemas de
potencia, en razón de las restricciones de generación,
transmisión y de la distribución de potencia reactiva en la red.
Las cargas son variables independientes que cambian
permanentemente y producen variaciones de voltaje y
frecuencia en el sistema. Cuando los valores de estas señales
se salen de ciertos márgenes permitidos, actúan dispositivos,
tales como transformadores con cambio de taps bajo carga,
que las llevan de regreso a su región segura. En el presente
artículo se realiza el diseño y construcción de un transformador
trifásico con taps en los lados primario y secundario. Una vez
construido el transformador se efectúan pruebas de laboratorio
con la finalidad de verificar su correcto funcionamiento,
además de conocer su circuito equivalente, y realizar el control
de voltaje en un sistema eléctrico de laboratorio.
Se elabora una guía para el diseño y construcción de
transformadores con el procedimiento para la obtención de los
componentes necesarios, como características de los
devanados y el núcleo. Esta guía tiene una interfaz amigable
al usuario desarrollada en la plataforma MATLAB.
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control
de Voltaje en el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Játiva, Jesús1; Maldonado, Jonathan1; Mena, Vanessa1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Ecuador
Resumen: Se realiza el diseño y construcción de un transformador trifásico tipo seco de 5 kVA con voltajes de 220
V tanto en el devanado primario como en el secundario, con capacidad de variar la relación de transformación
mediante taps fijos en un rango de variación +/- 5% en pasos de 2,5% en el devanado primario y con un cambiador
de taps bajo carga de operación manual y un rango de variación de +/- 5% en pasos de 1% en el devanado secundario.
Se detalla el proceso para dimensionar un transformador mediante la aplicación de normas técnicas y criterios basados
en la experiencia de fabricantes. Haciendo uso de la herramienta MATLAB, se desarrolla una interfaz gráfica que
permite al usuario diseñar transformadores trifásicos tipo seco a partir de potencia, voltajes, tipo de conexión y
requerimiento de taps en cada devanado. El usuario obtendrá los parámetros requeridos para la construcción del
transformador, tanto del núcleo como de la bobina. El programa también presenta al usuario el circuito equivalente
obtenido de los parámetros de diseño. Se diseña y construye el transformador indicado para el Laboratorio de
Sistemas Eléctricos de Potencia, sobre el cual se ejecutan pruebas eléctricas para observar que su funcionamiento sea
el adecuado y que se encuentra dentro de las normas establecidas. De los resultados de las pruebas de cortocircuito
y circuito abierto se obtiene el circuito equivalente del transformador.
Palabras clave: Transformador, construcción, diseño, control de voltaje, LTC.
Design and Construction of a Three-phase Transformer for Voltage
Control in the Electrical Power Systems Laboratory
Abstract: This paper presents the design and construction of a three-phase dry type transformer of 5 kVA with
voltages of 220 V in both primary and secondary windings, with the capacity to vary the transformation ratio by
means of fixed taps in a variation range of +/- 5% with steps of 2.5% in the primary winding and with a load tap
changer for manual operation and a variation range of +/- 5% with steps of 1% in the secondary winding. The process
to size transformer using technical criteria and manufactures experience is detailed. Using the software MATLAB, a
graphic interface that allows the user to design three-phase dry-type transformers based on input variables such as
power, voltages, type of connection and taps requirement for each winding is developed. The user will obtain the
required parameters for the transformer construction, of both core and coil. The program also delivers the equivalent
circuit obtained with the design parameters, which are used to build a transformer for the Electrical Power Systems
Laboratory, on which electrical tests are performed to corroborate that its operation is adequate and that it is under
built norms. From the short circuit and open circuit tests results, the equivalent transformer circuit is obtained.
Keywords: Transformer, construction, design, voltage control, LTC.
23
Játiva, Jesús; Maldonado, Jonathan; Mena, Vanessa
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Posteriormente con los datos obtenidos del software se
construye un transformador trifásico con taps en los dos
devanados, sobre el cual se realizan pruebas eléctricas. Se
implementa, además, un sistema eléctrico de potencia con el
transformador construido para la comprobación del control de
voltaje.
2. MARCO TEÓRICO
El proceso de diseño está dirigido a transformadores tipo seco.
A fin de realizar el diseño de un transformador es necesario
tener en cuenta varias especificaciones que cumplan con las
normas técnicas de desempeño.
2.1 Software de Diseño de Transformadores Trifásicos Tipo
Seco
El software está diseñado en la herramienta computacional
GUIDE del programa MATLAB, la cual permite elaborar un
sistema amigable con el usuario y a la vez realizar los cálculos
que un transformador requiere para su construcción.
El usuario debe ingresar: potencia del transformador en kVA,
voltaje primario en kV, voltaje secundario en kV, tipo de
conexión del transformador, taps en el primario, y taps en el
secundario. Si el usuario requiere la implementación de taps,
debe ingresar además el rango de variación y el tamaño del
paso.
El resultado final se despliega en pestañas diferentes, las
cuales están divididas en:
Resultados del núcleo: dimensiones, pérdidas y peso del
núcleo
Resultados de las bobinas: calibre del conductor,
corriente, pérdidas, peso, aislamiento y dimensiones de
cada bobina.
Resultados de los taps: aumento de espiras para cumplir
con las variaciones deseadas por el usuario, también los
voltajes reales y teóricos de cada paso y sus diferencias.
Circuito equivalente del transformador diseñado:
parámetros serie y paralelo del circuito equivalente en
valores reales y en por unidad.
Restricciones del Software
El programa está enfocado al diseño de transformadores
trifásicos secos, con las siguientes restricciones:
Potencia entre 0,1 kVA y 350 kVA, la razón para
restringir la potencia se debe a que los transformadores de
mayor potencia y voltajes pequeños necesitan un
conductor de sección grande y de una refrigeración
mayor.
Voltaje mínimo 208 V, esto se debe a que al tener la
máxima potencia de 350 kVA la corriente resultante es
elevada, necesitando un conductor de sección muy
grande.
Voltaje máximo 15 kV, se restringe este parámetro debido
a que al tener un voltaje mayor, ya no se construyen
transformadores secos sino sumergidos en aceite, debido
a que requiere mayor aislamiento y mayor refrigeración.
2.2 Diseño del Transformador para el Laboratorio de
Sistemas Eléctricos de Potencia
El diseño de un transformador para el Laboratorio de Sistemas
Eléctricos de Potencia (SEP) necesita información de los
elementos constitutivos del sistema a implementar, tales como:
generador, modelo a escala de la línea de transmisión y carga,
tal como se muestra en el diagrama unifilar de la Figura 1.
Figura 1. Diagrama unifilar del sistema de laboratorio
Para conocer la potencia de transformador requerido en este
sistema, se toma como referencia la capacidad y el voltaje del
generador, y se calcula la corriente con la ecuación (1):
I =3,5 kVA
√3 ∗ 220 V= 9,185 A (1)
La capacidad del transformador se calcula para una sobrecarga
de 30%, es decir con una corriente de 12 A, por lo que la
potencia será según la ecuación (2).
S = √3 ∗ 12 ∗ 220 = 4,57 kVA (2)
El transformador será dimensionado según los siguientes
parámetros:
-potencia: 5 kVA,
-voltajes: 220 V/220 V,
-conexión Dyn5,
-taps devanado primario: +/- 5% con variación de 2,5%,
-taps devanado secundario: +/- 5% con variación de 1%.
Cálculo de Voltajes y Corrientes de Devanados
Los voltajes y corrientes de los devanados primario y
secundario se calculan con las ecuaciones (3) a (6).
VP = V1 = 220 V (3)
VS =V2
√3=
220
√3= 127 V (4)
IP =S
3 ∗ Vp
=5000
3 ∗ 220= 7,58 A (5)
IS =S
3 ∗ VS
=5000
3 ∗ 127= 13,12 A (6)
Selección de conductores
24
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control de Voltaje en el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Como se trata de un transformador seco, se elige una densidad
de corriente de 2,5 A/mm2, que dan secciones de conductor
según las ecuaciones (7) y (8).
S1 = IP
δ=
7,58
2,5= 3,03 mm2 (7)
S2 = IS
δ=
13,12
2,5= 5,25 mm2 (8)
Conociendo la sección que deben tener los conductores se
elige el calibre para cada devanado:
Devanado primario: 12 AWG, cuyo diámetro es 2,052
mm
Devanado secundario: 10 AWG, cuyo diámetro es 2,588
mm
Para la sección del núcleo se toma la constante 𝑘 =16 (RVR,
2017), ecuación (9):
Anucleo = k ∗ √S = 35,78 𝑐𝑚2 (9)
2.3 Diagrama de Bloques del Software
En la Figura 2 se detalla el diagrama de bloques del software
de diseño de transformadores trifásicos tipo seco.
Figura 2. Diagrama de Bloques del Software de Diseño de Transformadores
25
Játiva, Jesús; Maldonado, Jonathan; Mena, Vanessa
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Se continúa con el cálculo de las dimensiones de la sección del
núcleo: espesor y ancho de la lámina, utilizando las ecuaciones
(10) y (11).
E = √Anucleo
0,5 ∗ 0,98= 8,5 cm (10)
M = 0,5 ∗ E = 4,3 cm (11)
Cálculo del número de vueltas
El número de vueltas del primario se calcula con la ecuación
(12).
N1 =VP ∗ 108
4,44 ∗ f ∗ SFe ∗ Bm
= 171 (12)
Con la relación de transformación, se calcula el número de
vueltas del secundario, mediante la ecuación (13):
N2 = V2 ∗N1
V1
= 99 (13)
Taps en el devanado primario
En el devanado primario se tienen cambios de +/- 5% con
variación de 2,5%, ecuación (14):
#Taps = r
p=
+/−5
2,5= +/−2 (14)
Esto quiere decir que se tendrán dos taps por encima del
nominal y dos por debajo del nominal, teniendo un total de:
#Taps=5
Se sigue con el cálculo para aumentar espiras a la bobina a fin
de cumplir con la variación requerida, ecuación (15):
NTAP = N ∗ p = 4,3 espiras (15)
Cada paso deberá aumentar 4 espiras del valor nominal,
teniendo un total de espiras, según la ecuación (16):
N1−TOTAL = N1 + NTAP ∗ 2 = 179 espiras (16)
En la Tabla 1 se muestran los voltajes teóricos y reales que
tendrá el transformador en el devanado primario con los
diferentes cambios de posiciones de los taps.
Tabla 1. Valores de voltajes con taps en el devanado primario
N°
Espiras
Voltaje
Teórico [V]
Voltaje
Real [V]
Variación
Constructiva [%]
179 231,0 229,7 0,56
175 225,5 224,5 0,44
171 220,0 219,4 0,27
167 214,5 214,3 0,09
163 209,0 209,1 -0,04
Taps en el devanado secundario
En el devanado secundario se tiene cambios de +/- 5% con
variación de 1%, dando un rango según la ecuación (17).
#Taps = r
p=
+/−5
1= +/−5 (17)
Esto quiere decir que se tendrán cinco taps por encima del
nominal y cinco por debajo del nominal, teniendo un total de:
#Taps=11
Se continúa con el cálculo para aumentar espiras a la bobina a
fin de cubrir con la variación requerida, ecuación (18):
NTAP = N ∗ p; NTAP = 1 espira (18)
Cada paso deberá aumentar 1 espira del valor nominal,
teniendo un total de espiras según la ecuación (19).
N2−TOTAL = N2 + NTAP ∗ 5; N2−TOTAL
= 104 espiras (18)
En la Tabla 2 se muestran los voltajes teóricos y reales que
tendrá el transformador en el devanado secundario con los
diferentes cambios de posiciones de los taps.
Tabla 2. Valores de voltajes con taps en el devanado secundario
Número
Espiras
Voltaje
Teórico [V]
Voltaje Real
[V]
Variación
Constructiva [%]
104 133,4 133,8 -0,29
103 132,1 132,5 -0,30
102 130,8 131,2 -0,30
101 129,6 129,9 -0,23
100 128,3 128,7 -0,31
99 127,0 127,4 -0,31
98 125,7 126,1 -0,31
97 124,5 124,8 -0,24
96 123,2 123,5 -0,24
95 121,9 122,2 -0,24
94 120,7 120,9 -0,16
Número de espiras por capa que tendrán los devanado
primario y secundario
Con las ecuaciones (20) y (21) se calcula el número de espiras
por capa en los dos devanados.
Esp_cap1 =N1−TOTAL
N_capas1= 45 (20)
Esp_cap2 =N2−TOTAL
Ncapas2
= 35 (21)
Cálculo de la altura eléctrica del devanado primario y
secundario, ecuaciones (22) y (23).
HEB1 = [Espcapa1 + 1] ∗ T ∗ L1 ∗ c1; HEB1
= 99,11 mm (22)
HEB2 = [Espcapa2 + 1] ∗ T ∗ L2 ∗ c2; HEB2
= 97,82 mm (23)
Dimensión del collarín
Debido a que el voltaje de operación de cada devanado
primario y secundario es 220 V y 127 V respectivamente, la
26
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control de Voltaje en el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
clase de aislamiento según la Tabla 6 será de 1,2 kV con una
distancia de aislamiento de 8 mm.
Cálculo de la altura física del devanado secundario y
primario, ecuaciones (24) y (25).
HFB2 = HEB2 + 2 ∗ CAB2; HFB2 = 114 mm (24)
HFB1 = HEB1 + 2 ∗ CAB1 = 99 + 2 ∗ 7; HFB1= 113 mm
(25)
Cálculo del aislamiento entre capas y bobinas y núcleo
Se calcula primero el voltaje de ruptura, ecuaciones (26), (27)
y (28).
VR1 =3 ∗ FO
N_capas=
3 ∗ 75
4= 56,25 kV (26)
VR2 =3 ∗ FO
N_capas=
3 ∗ 75
3= 75 kV (27)
VR0 =3 ∗ FO
N_capas=
3 ∗ 75
2= 112,5 kV (28)
Con base en la Figura 2 y los voltajes de ruptura obtenidos, se
calcula el espesor de los aislamientos entre capas de espiras:
Ais_capas1, Ais_capas2 y Ais_capas0.
Figura 3. Aislamiento del núcleo de 5kVA (ISOVOLTA)
Ais_capas1=0,43 mm
Ais_capas2=0,67 mm
Ais_capas0=1,24 mm
Cálculo del aislamiento entre bobinas
Con la clase de aislamiento de 1,2 kV, utilizando la Tabla 8,
se obtiene que el aislamiento entre el devanado primario y el
devanado secundario será de:
ais21 = 1,7 mm
Cálculo de perímetros de las bobinas
Para obtener el perímetro, se parte del cálculo del espesor de
la bobina, ecuaciones (29) y (30).
EB1 = (Ncapas1 ∗ A1 + (Ncapas1 − 1) ∗ ais1) ∗ T1
= 9,97 mm (29)
EB2 = (Ncapas2 ∗ A2 + (Ncapas2 − 1) ∗ ais2) ∗ T
= 9,56mm (30)
Con estos valores se calculan las dimensiones del frente y los
costados de cada fase:
Dimensiones del frente, ecuaciones (31) a (35).
F0 = (M ∗ 10 + 5) + 2 ∗ ais0 = 50,48 mm (31)
F2 = F0 + 2 ∗ EB2 = 69,6 mm (32)
F21 = F2 + 2 ∗ ais21 = 73 mm (33)
F1 = F21 + 2 ∗ EB1 = 92,94 mm (34)
FT = F2 ∗ T = 96,65 mm (35)
Dimensiones del costado, ecuaciones (36) a (40).
C0 = (E ∗ 10 + 5) + 2 ∗ ais0 = 92,48 mm (36)
C2 = C0 + 2 ∗ EB2 = 111,6 mm (37)
C21 = C2 + 2 ∗ ais21 = 115 mm (38)
C1 = C21 + 2 ∗ EB1 = 134,94 mm (39)
CT = C2 ∗ 1,1 = 148,43 mm (40)
Una vez calculadas las dimensiones del frente y los costados,
se calculan los perímetros medios de las bobinas, ecuaciones
(41) y (43).
PM2 = C0 + C2 + F0 + F2; PM2 = 324,44 mm (41)
PM1 = F21 + F1 + C21 + C1; PM1= 415,88 mm
(42)
PM12 =PM1 + PM2
2 ∗ 10= 37,01 cm (43)
Peso del cobre
Con los perímetros medios de las bobinas, se pasa a calcular el
peso total del cobre, ecuaciones (44) a (46).
PES1 = 3 ∗ 8,9 ∗ 10−6 ∗ PM1 ∗ N1−TOTAL
∗ S1; PES1 = 6,57 kg (44)
PES2 = 3 ∗ 8,9 ∗ 10−6 ∗ PM2 ∗ N2 ∗ S2; PES2= 4,73 kg
(45)
PEST = PES1 + PES2 = 11,3 kg (46)
Cálculo de la reactancia, resistencia e impedancia del
transformador
La reactancia del transformador se calcula con las ecuaciones
(47) a (52).
a =EB2
10= 0,956 (47)
b =ais12
10= 0,17 (48)
c =EB1
10= 0,997 (49)
Fc = a + b + c = 2,123 (50)
= a + b + c +HEB1 + HEB2
2; = 11,9695 (51)
X =0,756 ∗ f ∗ N12 ∗ Ip ∗ PM12 ∗ Fc
Vp ∗ ∗ 105; X = 3% (52)
La resistencia de los devanados primario y secundario están
dadas por, ecuaciones (53) y (54).
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Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
R1 =ρ ∗ PM1 ∗ N1
S1= 0,3827 Ω (53)
R2 =ρ ∗ PM2 ∗ N2
S2= 0,1085 Ω (54)
Las pérdidas en el cobre se calculan con las ecuaciones (55) a
(57).
WCu1 = 3 ∗ Ip2 ∗ R1 = 65,89 W (55)
WCu2 = 3 ∗ Is2 ∗ R2 = 56,08 W (56)
WCuT = WCu1 + WCu2 = 121,93 W (57)
La impedancia del transformador se obtiene a partir de las
ecuaciones (58) y (59).
WCu1 = 3 ∗ Ip2 ∗ R1 = 65,89 W (58)
WCu2 = 3 ∗ Is2 ∗ R2 = 56,08 W (59)
Cálculo de las dimensiones y pérdidas del núcleo
Con las dimensiones del núcleo se calcula primero las
dimensiones de la ventana, ecuaciones (60) a (62).
HVN = HFB + 5 = 119 mm (60)
DEP = FT + DEBA = 106,65 mm (61)
AVN = DEP − (M ∗ 10) = 63,65 mm (62)
Con los valores calculados se obtienen las dimensiones totales
del núcleo, ecuaciones (63) y (64).
LN = 2 ∗ DEP + M ∗ 10 = 256,3 mm (63)
AN = HVN + 20 ∗ M = 205 mm (64)
Volumen del núcleo, ecuaciones (65) a (68).
VP = 3 ∗ M ∗ E ∗HVN
10= 1304,83 cm3 (65)
VY = 4 ∗ M ∗ E ∗AVN
10= 935,6 cm3 (66)
VE = 6 ∗ M ∗ E ∗ M = 942,99 cm3 (67)
VT = VP + VY + VE = 3183,5 cm3 (68)
Peso del núcleo, ecuaciones (69) a (72).
PP = δ ∗ VP ∗ 0,98 = 9,782 kg (69)
PY = δ ∗ VY ∗ 0,98 = 7 kg (70)
PE = δ ∗ VE ∗ 0,98 = 7,06 kg (71)
PT = PP + PY + PE = 23,84 kg (72)
Pérdidas en el hierro, ecuaciones (73) a (76).
WP = pfe ∗ PP = 7,83 W (73)
WY = pfe ∗ PY = 5,6 W (74)
WE = pfe ∗ 2 ∗ PE = 11,3 W (75)
WFeT = WP + WY + WE = 24,73 W (76)
Verificación de los parámetros
El cálculo de pérdidas en el hierro, con el valor de inducción
de 13500 Gauss, se calcula con las ecuaciones (77) a (80).
VAP = sfe ∗ PP = 89,99 VA (77)
VAY = sfe ∗ PY = 64,4 VA (78)
VAE = sfe ∗ PE = 65 VA (79)
VAT = VAP + VAY + VAE = 219,4 VA (80)
La corriente de pérdidas se obtiene con la ecuación (81).
Ic = WfeT/3
Vs= 0,065 A (81)
La corriente en vacío se calcula con la ecuación (82).
Io =
VAT
3
Vs= 0,576 A; Io =
0,576
13,12100 = 4,39% (82)
La corriente de magnetización se tiene de la ecuación (83).
Im = √Io2 − Ic2 = 0,572 A (83)
2.4 Análisis y comparación de resultados
Una vez calculados los parámetros de diseño se compara con
la Norma NTC3445 (NTC3445, 1992) a fin de comprobar que
los valores obtenidos en el diseño cumplan los estándares.
Como se observa en la Tabla 3, el resumen de los resultados
obtenidos en el diseño cumple con los estándares de la Norma
NTC3445, por lo que se puede concluir que los cálculos
realizados son correctos.
Tabla 3. Comparación del diseño con la norma NTC3445
Parámetro Norma Ntc3445 Resultados
Uz 4 % 3,86 %
WCuT 195 W 121,99 W
WFeT 73 W 24,73W
Io 5,5 % 4,39 %
2.5 Circuito Equivalente del Transformador
Para determinar el circuito equivalente π es necesario definir
una impedancia base en la que trabajará el sistema. El circuito
equivalente del transformador será referido al primario, por lo
que los valores base son los siguientes:
SB = 1,667 kVA
VB = 220 V
Donde:
SB: Potencia base monofásica
VB: Voltaje base línea a línea de la conexión delta
Por lo tanto, la impedancia base para el transformador se
calcula con la ecuación (84).
ZB =VB
2
SB = 29,04 Ω (84)
Cálculo del valor de las resistencias de cortocircuito
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Resistencia en p.u. del devanado primario, ecuación (85).
R1p.u. =R1
ZB
= 0,013 𝑝. 𝑢. (85)
Resistencia en p.u. del devanado secundario, ecuación (86).
R2p.u. =R2
ZB
= 0,0037 p. u. (86)
Cálculo del valor de la reactancia de cortocircuito en p.u. y
valores reales, ecuaciones (87).
X = Xp.u. ∗ ZB = 0,8712 Ω (87)
Cálculo del valor de la reactancia de magnetización y
resistencia de pérdidas del núcleo, ecuaciones (88) y (89).
Rc =Vs
Ic= 1953,84 Ω (88)
Xm =Vs
Im= 222,02 Ω (89)
Los resultados obtenidos de la rama paralelo se encuentran
referidos al secundario, por lo que los resultados de la
reactancia de magnetización y resistencia de pérdidas se deben
multiplicar por la relación de transformación al cuadrado,
ecuaciones (90) y (91).
Rc = Rc ∗ a2 = 5861,52 Ω = 201,84 p. u. (90)
Xm = Xm ∗ a2 = 666,08 Ω = 22,94 p. u (91)
Se calcula la reactancia de magnetización y la resistencia de
pérdidas del núcleo en valores de admitancia reales y en p.u.,
ecuaciones (92) a (94).
Y =1
Rc + jXm (92)
Gc =Rc
RC2 + Xm
2 (93)
Bm =Xm
RC2 + Xm
2 (94)
Donde:
Gc: conductancia en S
Bm: susceptancia en S
Por lo tanto, se tiene que:
Gc = 5861,52
5861,522+666,082 = 4,8909 ∗ 10−3 p. u.
Bmp.u. = 5,558 ∗ 10−5 p. u.
2.6 Diseño del Cambiador de Taps con Carga
El conmutador de tap bajo carga (OLTC) se ubica
comúnmente en el devanado secundario, realizando pasos
finos de variación de voltaje. Debido a la baja corriente que
maneja el transformador del Laboratorio se construye un
OLTC que opere con contactores.
Diagramas de Tiempo del Cambio de Tap
El funcionamiento del OLTC mediante contactores se puede
observar en los diagramas de tiempo de las Figuras 4 y 5. En
la Figura 4 se efectúa el cambio de un tap menor a uno mayor.
En la Figura 5 se efectúa el cambio de un tap mayor a uno
menor.
Figura 4. Diagrama de tiempo de cambio de un tap menor a un tap mayor
Figura 5. Diagrama de tiempo de cambio de un tap mayor a un tap menor
El programa es desarrollado en el PLC S7-400 de Siemens, en
lenguaje Ladder para el cambio de taps bajo carga.
2.7 Circuito de Fuerza del OLTC
El circuito de fuerza de la Figura 6 presenta el esquema de
conexión del OLTC, donde se muestran las bobinas del
devanado secundario y la disposición de los contactores.
Los contactores C1, C2, C3 y C4 representan los taps que tiene
el OLTC, mientras que C12, C13, C14 y C15 son los
contactores para la transición de un tap a otro. Los contactores
C12 y C15 cortocircuitan la resistencia de transición bajo
operación normal del transformador. C13 y C14 conectan la
resistencia de transición en el cambio de taps.
2.8 Dimensionamiento de la Resistencia de Transición
La resistencia de transición es la encargada de soportar el
cambio en la posición de un tap a otro, para dimensionar esta
resistencia es necesario conocer la máxima corriente que va a
circular a través de ella.
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Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Figura 6. Circuito de fuerza del OLTC
Cuando los contactores C14 y C13 de la Figura 6 se encuentran
conectados durante la transición, existe una corriente
circulante debido a que las resistencias R1 y R2 se encuentran
conectadas. Por ello se realiza el siguiente análisis:
Cuando una de las resistencias se conecta en serie con la
carga
Figura 7. Corriente a través de solo una resistencia de transición (Harlow,
1993)
IR1 = IL
IR2 = 0
Cuando las dos resistencias de transición se encuentren
conectadas, ecuaciones (95) y (96).
R1 = R2 = R (95)
Icirculante =E
2 ∗ R (96)
Figura 8. Corriente circulante en transición (Harlow, 1993)
En la carga se tendrá, ecuaciones (97) y (98).
IR1 =IL
2+
E
2R (97)
IR2 =IL
2−
E
2R (98)
Donde:
E: Voltaje entre taps
R: Resistencia de transición
Icirculante: Corriente que circula al tener las dos resistencias
conectadas
IR1: Corriente en R1,
IR2: Corriente en R2
Para dimensionar la potencia que debe soportar la resistencia,
se necesita conocer la corriente máxima que circulará por esta.
Por lo general, los valores de resistencia son pequeños para
evitar que exista una caída de voltaje grande en la carga al
momento de realizar la transición de un tap al otro, debido a
que en un instante de la transición la resistencia se encuentra
conectada en serie con la carga. Para el cálculo de la
resistencia de transición se necesita conocer el voltaje que
existirá entre cada paso de tap, ecuación (99).
Vespira =Vs
N2−TOTAL
=127
104= 1,22 V/espira (99)
Debido a que, en el devanado secundario, cada cambio de tap
corresponde a una espira, el voltaje entre taps será:
E = 1,22 V
IL = 13,12 A
Se utiliza una resistencia de 1 Ω para obtener una relación
lineal entre la corriente y el voltaje medido, ecuaciones (100)
y (101).
IR1 =1
2∗ [IL +
E
R] = 7,17 A (100)
IR2 =1
2∗ [IL −
E
R] = 5,95 A (101)
Con estas corrientes se puede calcular la caída de voltaje sobre
la resistencia R1, ecuación (102).
VR1 = IR1 ∗ R1 = 7,17 V (102)
30
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Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Para conocer la potencia máxima que soportará la resistencia
se realiza la comparación entre las corrientes de los casos
analizados anteriormente:
IL > IR1
IL > IR2
La corriente máxima será la corriente de la carga: IL =13,12 A
La potencia de la resistencia será, ecuación (103).
P = IL2 ∗ 1 = 172,13 W (103)
La potencia que debe disipar esta resistencia es demasiado
grande, en un tiempo de transición muy pequeño; por lo que,
una alternativa para disminuir la caída de voltaje, la corriente
y la potencia es colocar resistencias en paralelo de las
siguientes características, ecuación (104).
I =IL
4= 3,28 A (104)
La resistencia resultante al tener las cuatro en paralelo es,
ecuación (105).
RT =R
4= 0,25 Ω (105)
La caída de voltaje sobre la resistencia es, ecuación (106).
VRT = IL ∗ RT = 3,28 V (106)
La potencia de cada una de las resistencias es, ecuación (107).
P = I2 ∗ R = 10,75 W (107)
Por lo tanto, en la transición se tendrán cuatro resistencias en
paralelo de 1 Ω y 10 W cada una.
2.9 Voltajes y Corrientes de Transición del Cambiador de
Taps Bajo Carga
En la Figura 9 se observa que los voltajes de cada fase suben
al aumentar la posición del tap y además durante el cambio de
tap existe una caída de voltaje debido a la resistencia de
transición.
Figura 9. Voltajes de transición de los cambios de tap
En la Figura 10 se muestran las corrientes en la transición de
los cambios de taps, se puede ver claramente que no existe
interrupción de las tres corrientes de fase.
Figura 10. Corrientes de transición en los cambios de tap
3. RESULTADOS
3.1 Resultados del Diseño del Transformador
Los resultados obtenidos para el diseño del núcleo, la bobina
y el circuito equivalente se muestran en las Figuras 11, 12, 13
y 14.
Figura 11. Resultados del núcleo
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Figura 12. Resultados de la bobina
Figura 13. Resultados de los taps
Figura 14. Circuito equivalente del transformador
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Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
3.2 Resultados de las Pruebas en el Transformador
Resultados de la Prueba de Vacío
En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos en la prueba
de vacío, los cuales se encuentran dentro de los parámetros
señalados en la norma NTC3445 (NTC3445, 1992) tanto de
potencia como de corriente en vacío.
Para esta prueba las posiciones de los taps son: 1 en el primario
y 11 en el secundario.
Tabla 4. Resultados prueba en vacío
Fase Vo
[V] Io [A]
Io
[%]
Po
[W]
Norma NTC3445
Po [W] Io [%]
R-S 218,1 0,73 5,3
35 73 5,5 S-T 212,7 0,69 5,2
T-R 215,7 0,7 5,3
Curva de Histéresis y Cálculo Densidad de Flujo
Magnético del Transformador
Para obtener la curva de histéresis del núcleo del
transformador es necesario armar el esquema circuital de la
Figura 15, con los siguientes elementos:
R1 = 1 Ω, R2 = 390 kΩ, C2 = 1 µF, N1 = N2 = 104
Debido a que el núcleo en estudio es de una unidad trifásica y
que se halla ya armado, se utilizan dos devanados secundarios
conectados en estrella.
Figura 15. Diagrama esquemático del dispositivo para obtener la curva de
histéresis
La corriente I1 se captura a través de la resistencia R1 en el
canal Ch1 y el voltaje e sobre el capacitor C2 en el canal Ch2
del osciloscopio. En la Figura 16, se muestran los valores de
voltaje obtenidos en los canales 1 y 2 del osciloscopio.
Para obtener el lazo de histéresis en unidades de Teslas y A/m
es necesario realizar el siguiente análisis aplicando las leyes de
Ampere y Faraday sobre las bobinas 1 y 2, respectivamente,
ecuaciones (108) y (109).
Figura 16. Curva de histéresis obtenida del osciloscopio
N1 ∗ I1 = ∮ HdL = H ∗ L (108)
H = N1 ∗ VR1
L ∗ R1
(109)
El voltaje inducido y la densidad de flujo en la bobina 2 se
calculan con las ecuaciones (110) y (111).
e = N2 ∗dφ
dt= N2 ∗ A ∗
dB
dt (110)
B =C ∗ R2 ∗ VC
N2 ∗ A (111)
Donde B: Densidad de flujo magnético en T, H: Intensidad de
campo magnético en A/m, e: Voltaje en la segunda bobina en
V, L: Longitud media del núcleo en m, A: Área del núcleo en
m2, VC: Voltaje del capacitor en V.
Cálculo del Circuito Equivalente
Con los resultados obtenidos en las pruebas de vacío y
cortocircuito se calcula el circuito equivalente del
transformador. Se realiza un ejemplo de cálculo para la
posición nominal de los taps con las bases: SB = 1,667 kVA,
VB = 220 V
Por lo tanto, la impedancia base para el transformador en los
dos lados está dada por la ecuación (112).
ZB =VB
2
SB = 29,04 Ω (112)
Cálculo del valor de la resistencia de los devanados en
conexión delta, ecuación (113).
R =PCC
SB
∗ 100% = 2,4 % = 0,718 Ω (113)
Cálculo del valor de la impedancia de cortocircuito en
conexión delta, ecuación (114).
Zcc =VCC
ICC
√3
= 1,105 Ω = 3,8 % (114)
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Cálculo del valor de la reactancia ecuación (115).
X = √Zcc2 − R2 = 2,89 % (115)
Cálculo del valor de la reactancia de magnetización y
resistencia de pérdidas del núcleo
La potencia de pérdidas en vacío está dada por la ecuación
(116).
Po = √3 ∗ Vo ∗ Io ∗ cos(Φ) (116)
De donde se obtiene el factor de potencia de la rama paralelo,
ecuación (117).
cos(Φ) =Po
√3 ∗ Vo ∗ Io= 0,127 (117)
Con lo que la corriente de pérdidas se calcula con la ecuación
(118).
Ic = Io ∗ cos(Φ) = 0,0927 A (118)
La corriente de magnetización se calcula con la ecuación
(119).
Im = Io ∗ sin(Φ) = 0,724 A (119)
Por lo tanto, la resistencia de pérdidas en el núcleo Rc, la
reactancia de magnetización Xm, la conductancia Gc y la
susceptancia Bm, se calculan con las ecuaciones (120) a (125).
Rc =VoIc
√3
= 4075,08 Ω (120)
Rcp.u. =Rc
ZB
= 140,32 p. u. (121)
Xm =VoIm
√3
= 521,76 Ω (122)
Xmp.u. =Xm
ZB
= 17,96 p. u. (123)
Gc =Rc
RC2 + Xm
2= 2,414 ∗ 10−4 S
= 7,01 ∗ 10−3 p. u.
(124)
Bm =Xm
RC2 + Xm
2= 3,09 ∗ 10−5 S
= 8,97 ∗ 10−2 p. u.
(125)
4. CONCLUSIONES
Se ha podido comprobar que los parámetros obtenidos en el
diseño: R=0,705 Ω; X=0,871 Ω y Z=1,122 Ω, realizado para
el transformador con la interfaz gráfica son similares a los del
transformador construido: R=0,718 Ω; X=0,84 Ω y Z=1,105
Ω, con errores de: 1,84%, 3,55% y 1,51%, respectivamente.
Al realizar las pruebas eléctricas en el transformador, se pudo
constatar que los resultados de las pérdidas: 123,7 W son
similares al diseño realizado de 122 W, con la variación en las
pérdidas de cobre debido a la presencia del OLTC y
conexiones exteriores de los equipos de medición.
Una vez realizada la prueba de la curva de histéresis del
transformador se comprueba que la densidad del flujo
magnético del material es 13800 Gauss, la cual es similar a la
utilizada en el diseño de 13500, comprobando que la calidad
del material ferromagnético es la adecuada.
En las pruebas realizadas con el OLTC, se verifica que la carga
no se desenergiza en ningún momento mientras se efectúa la
transición de una posición a otra.
La resistencia del transformador en el diseño es de 2,42% y
aumenta a 2,47% en el transformador construido.
Los parámetros obtenidos en las diferentes pruebas realizadas
al transformador construido, como pérdidas en el núcleo 35 W,
pérdidas en el cobre 123,7 W y corriente de excitación 0,7 A,
se encuentran dentro de los valores establecidos en la norma
especificada, la cual señala que no deben superar 73 W, 195
W y 0,722 A, respectivamente.
REFERENCIAS
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Dyn11. Universidad Carlos III, Madrid, España.
Chapman, S. J. (2000). Máquinas Eléctricas. Mc Graw Hill. Colombiana, N. T. (1992). NTC 3445 Electrotecnica. Transformadores
Trifásicos Autorefrigerados, Tipo Seco Abierto y Encapsulado en Recina,
Corriente Sin Carga, Pérdidas y Tensión de Cortocircuito. Bogotá, Colombia.
García, S. (2009). Ingeniería Eléctrica Explicada. Obtenido de:
http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/09/tipos-de-refrigeracion-en.html. (Enero, 2017).
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(Enero 2017). Mora, J. F. (2003). Máquinas Eléctricas (Quinta ed.). Madrid: McGraw-Hill.
Oñate, A. (2016). Diseño de un transformador trifásico de 300 kVA
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Perez, P. A. (2001). Transformadores de distribución. Teoría, cálculo,
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Wildi, T. (2007). Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (Sexta ed.).
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http://www.yourelectrichome.com/2011/08/tap-changing-transformer.html.
((Febrero de 2017).
BIOGRAFÍAS
Jesús Amado Játiva Ibarra. Ingeniero
Eléctrico (1981) de la Escuela Politécnica
Nacional; Master of Science in Electrical
Engineering (1988) y Doctor of
Philosophy Ph.D. (1991) de la
Universidad de Texas en Arlington
Estados Unidos de América. Cursos de
postrado en Energy Conservation in
Industry realizado en Suecia en 1995 y en
Development Planning Techniques with
34
Diseño y Construcción de un Transformador Trifásico para Control de Voltaje en el Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Computer Applications efectuado en los Países Bajos en 1998.
Profesor Titular, Promotor y ex Coordinador de las Maestrías
y Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politécnica
Nacional y Consultor de Sistemas Eléctricos de Potencia.
Jonathan Paúl Maldonado Carvajal.
Nació el 15 de diciembre de 1992 en la
ciudad de Quito, cursó sus estudios de
bachillerato en el Colegio Pensionado
Iberoamericano. Su título de ingeniero
eléctrico lo obtuvo en la Escuela
Politécnica Nacional.
Vanessa Estefanía Mena Altamirano.
Nació el 11 de noviembre de 1993 en la
ciudad de Quito, cursó sus estudios de
bachillerato en el colegio Experimental
Simón Bolívar. Su título de ingeniera
eléctrica lo obtuvo en la Escuela
Politécnica Nacional.
35
36
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 17/04/2018
Aceptado: 28/09/2018
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCCIÓN
El taladro de perforación es un servicio costoso durante la fase
de perforación de pozos, por lo que minimizar costos es clave
para optimizar los presupuestos de las empresas Operadoras de
Campos Petroleros.
En el 2016 se evaluó la opción de usar un taladro de menor
capacidad al de 2000 HP que estaba siendo empleado en los
campos analizados en este trabajo, en pozos con profundidades
de perforación promedias de 10500 pies, con desplazamientos
horizontales de 3300 ft hasta la formación Hollín, sin afectar a
las personas, la integridad operacional ni al ambiente y que
genere un valor agregado en disminución de costos.
No se ha encontrado antecedentes de perforación de pozos
direccionales a las profundidades mencionadas con taladros de
menos de 1500 HP en el Ecuador. El taladro operativo y
disponible en Ecuador con capacidad por debajo de 1000 HP
es el Tuscany 102 de 1000 HP, por lo que se enfocó el análisis
en este equipo.
El estudio se realizó a 4 pozos perforados en la Cuenca Oriente
del Ecuador entre el 2016 y 2017, con el taladro de perforación
de 1000 HP. Las ventajas y desventajas de un taladro de
1000HP en comparación a uno de 2000 HP son:
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los
Campos PBHI-MDC
Landívar, Rodolfo1; Loaiza, Marco2; Valencia, Raul3
1Schlumberger del Ecuador S.A., Servicios Integrados de Perforación, Quito, Ecuador
2Enap Sipec, Ingeniería de Perforación, Quito, Ecuador 3Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería en Geología y Petróleos, Quito, Ecuador
Resumen: Los campos donde se realizó el estudio se localizan en la Cuenca Oriente de Ecuador, donde se perforaron
pozos hasta el año 2015 con taladros de mínimo 1500 HP; para el año 2016 la Empresa Operadora tomó el desafío
de optimizar los costos de perforación, evaluándose la opción de usar un equipo de menor capacidad, seleccionándose
un taladro de 1000 HP, que presentaba desventajas en capacidades de torque, levantamiento de cargas, capacidad
de mesas y equipos en general comparados con un taladro de 2000 HP, pero mediante la revisión de los pozos
perforados previamente, planificación efectiva y eficiente, diseño de pozos acordes al equipo de perforación,
generación de una matriz detallada de riesgos de perforación con acciones de prevención y mitigación,
complementada con una gestión operativa enfocada en la identificación de riesgos y de oportunidades de mejora
continua, en complemento la aplicación de tecnologías de punta, permitieron la viabilidad del uso de este equipo.
Hasta diciembre del 2017, se perforaron 4 pozos direccionales tipo “J” modificado hasta profundidades promedio de
10882 pies, logrando ahorros en costo y tiempo, validándose la perforación con un taladro de 1000 HP.
Palabras clave: Gestión, optimización, perforación, planificación, riesgos, Taladro.
Optimized Well Drilling with a 1000 HP Rig in the PBHI-MDC
Fields
Abstract: The fields where the present work was carried out are located in the Oriente Basin of Ecuador, where wells
were drilled up to 2015 with at least 1500 HP Rigs; for 2016 the Operating Company took the challenge of optimizing
drilling costs, evaluating the option of using a lower capacity Rig, selecting a 1000 HP Rig, which presented
disadvantages in torque capacities, lifting loads, capacity of tables and equipment in general compared to a 2000 HP
Rig, but through the analysis of previously drilled wells, effective and efficient planning, design of wells according
to the drilling equipment, generation of a detailed risk matrix of drilling activities with prevention and mitigation
actions, complemented by an operational management focused on the identification of risks and opportunities for
continuous improvement, in addition to the application of state-of-the-art technologies, allowed the viability of the
use of this equipment. Up to December 2017, 4 modified "J" directional wells were drilled to an average depth of
10,882 feet, achieving cost and time savings, validating the drilling with a 1000 HP drill.
Keywords: Management, optimization, drilling, planning, risks, rig.
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Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Ventajas
Movilización y armado rápidos (~ 7 días)
Requiere menos espacio en locación
Menor número de cargas a ser movilizadas que implica
menor probabilidad de accidentes
La torre es auto transportada
Los costos diarios de operación de perforación son
menores
Los costos de movilización son menores al tener menos
cargas de transporte
El consumo de energía es menor
Menor consumo de diésel implica ahorro de ~ 1000
USD/d (300 gal/d menos)
Se puede completar los pozos con el mismo taladro con
menores tarifas que un taladro convencional de
perforación
Desventajas
Capacidad limitada de trabajo y margen de maniobra de un
taladro de 1000 HP versus uno de 2000 HP, para el escenario
de los pozos a perforarse, como se muestra en la tabla 1
(Tuscany, RIG 102 SPECS and Inventory Perforacion.pdf,
2018; Tuscany, RIG 117 SPECS and inventory.pdf, 2018).
Tabla 1. Especificaciones de un Taladro de 1000 HP vs 2000 HP
Ítem Capacidad Nominal Capacidad Nominal
Potencia de Malacate 1000 HP 2000 HP
Capacidad de Malacate 410000 lb 1000000 Mástil 410000 lb 1000000 lb
Capacidad Rotativa 410000 lb 1000000 lb
Capacidad de
Almacenaje de Tubería
(Set Back)
250000 lb 488120 lb
Capacidad Total
Simultanea
660000 lb 1488120 lb
Top drive 30260 (80 rpm) 42700 (130 rpm)
15130 (160 rpm) 22800 (190 rpm)
Bombas
3 de 1000 HP
3 de 1600 HP
Tanques
Sistema activo 750 bls
Sistema activo 1300 bls
Pildorero de 80 bls Pildorero de 112 bls
Altura de la Torre
114 ft
150 ft
Número de Juntas por
parada
2 3
Altura de la Mesa 17.5 ft 29.5 ft
(Fuente: Tuscany, 2018)
Aumenta el riesgo en las operaciones rutinarias de manejo
de tubulares ya que al ser más pequeña la mesa del taladro
dificulta el armado de ensamblajes de fondo y corrida de
revestidores.
Perforación más lenta ya que las paradas son solo de 2
juntas por la altura de la torre (114 ft), mientras que en una
torre de 2000 HP se pueden armar paradas de 3 juntas,
esto implica mayor número de tiempo empleado en
conexiones y más tiempo de exposición del hoyo.
Dada la capacidad de la subestructura de perforación solo
se pueden colocar 8000 pies de tubería de perforación
sobre la misma, implicando tiempos extras en armar
tubulares de caballetes cuando se viaja dentro del hoyo o
quebrarlos cuando se sacan los mismos.
Mayores tiempos de corrida de revestidor por el espacio
en la mesa de perforación.
Entendido el problema del presente estudio, se plantea la
pregunta: ¿Es posible perforar un pozo con un taladro de 1000
HP hasta la formación Hollín en profundidades promedios de
10500 pies? La respuesta a la interrogante permite la
validación de la viabilidad del uso de un taladro de perforación
de 1000 HP.
Se planteó el objetivo general de: “Optimizar la perforación de
pozos para la formación Hollín con un taladro de 1000 HP”
con los siguientes objetivos específicos:
Determinar experiencias previas de perforaciones con
taladros de 1000 HP o menos en el Ecuador
Recolectar y validar los datos de perforación de los pozos
perforados por La Empresa Operadora.
Revisar del estado del arte, tecnologías, productos,
herramientas y programas de perforación
Evaluar los parámetros de perforación óptimos en relación
a los límites del taladro de 1000 HP de los pozos
perforados por La Empresa Operadora
Determinar los riesgos de perforar con una torre de 1000
HP en relación a una de mayor capacidad
Examinar la viabilidad de continuar perforando con torres
de 1000 HP en La Empresa Operadora y en otros campos
de la Cuenca Oriente del Ecuador
Determinar el límite técnico para perforar pozos con un
taladro de 1000 HP
2. MATERIALES Y MÉTODOS
La metodología se fundamentó en el manejo de los riesgos
mediante su identificación, implementando barreras para que
no se materialicen e incorporando medidas de control para
evitar escalamientos, en complemento una planificación
realizada con suficiente tiempo para cubrir los requerimientos
de personal, herramientas y servicios necesarios, resultado en
un programa de perforación que recoja no solo las operaciones
planeadas si no los planes de optimización a implementarse,
continuando con una ejecución de las operaciones con
prácticas operacionales ajustadas a los pozos específicos y
limitaciones del taladro, a más del uso de tecnologías de punta,
programas especializados de ingeniería y personal de
experiencia trabajando en equipo para lograr la sinergia
necesaria para alcanzar los objetivos del pozo.
Los servicios de perforación en los pozos perforados se
manejaron a través de la compañía proveedora de los Servicios
Integrados de Perforación (IDS, por sus siglas en inglés)
trabajando en equipo con el personal técnico de la Empresa
Operadora y de la compañía proveedora del taladro de
perforación.
38
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
2.1 Optimización de la Perforación
Las claves de la optimización de la perforación de pozos
(Hankins, 2015; Portilla, 2013; Breyholtz, 2012; Medina-
Rodríguez, 2012; Kentli, 2009; Onwubolu, 2004; Saputelli,
2003; Van Oort, 2001; Kolahan, 1996; Gray, 1989) son:
Equipo de trabajo con personal de experiencia
Los requisitos licitatorios para los servicios de perforación
incluyen una sección de personal con los requerimientos
técnicos adecuados: se solicitan los currículos detallados del
personal asignado al proyecto, organigramas de las compañías
oferentes y experiencia en proyectos previos. Una vez
completo el equipo, de coordinación en oficina y operativo en
campo, se lo mantiene durante toda la campaña de perforación.
Planificación: Proveedores, Logística, Manejo del
Cambio, Mejora Continua
Cada pozo a ser perforado es planificado con el tiempo
adecuado acorde a su complejidad, considerando aspectos
técnicos, logísticos y comunicación efectiva entre los
miembros del equipo. Como parte de los procesos de mejora
continua se cuenta con la herramienta de manejo de cambios
que puede ser usada en todo momento para optimizar o
cambiar alguna actividad especificada en el programa de
perforación.
Gestión de riesgos: Matriz de riesgos detallada
La matriz de riesgo es preparada en equipo por los líderes de
los servicios involucrados y ajustado por pozo a sus
particularidades. Diariamente, y en base a la matriz de riesgos
y operaciones del día, se prepara el reporte “Look Ahead”
(Schlumberger) donde se colocan los riesgos, planes de
contingencia y mitigación y operaciones para las próximas 24
hrs; difundido con el reporte de las 16hrs.
Integridad Operacional
Reuniones diarias internas en pozo y en conjunto con los
coordinadores de servicios y La Empresa Operadora en
oficina, reuniones pre y post operativas, permisos de trabajo,
paso a paso, estándares operacionales y la implementación de
las mejores prácticas y lecciones aprendidas son claves en el
mantenimiento de la integridad operacional.
Ejecución de las actividades
Programadas y ejecutadas en tiempo y forma de acuerdo a la
planificación.
Optimización de parámetros
Un Mapa de Parámetros de perforación actualizado por
formación y pozo es preparado e integrado al programa de
perforación, preparado usando la experiencia en los pozos
previos y los retos en el pozo a perforarse.
Simuladores de última generación
Tanto en las etapas de planificación como de ejecución se
cuenta con simuladores de última generación para temas de
hidráulica, limpieza de hoyo, diseño de brocas, velocidades de
viajes, torque y arrastre, etc.
Tecnologías de punta
Rotación continua, brocas PDC con insertos de última
generación cónicos y de cincel, herramientas de registros
mientras se perfora densidad-neutrón sin fuente radioactiva,
gamma ray, caliper inducido, resistividad inductiva y
resistividad laterolog (imágenes resistivas), fluidos de
perforación aditivados para minimizar el daño a la formación
y reducir el torque (lubricante líquido y mecánico), estabilizar
zonas inestables, reducir torque, minimizar desgaste de
tubulares, microscopio digital de alta resolución y
espectrómetro de masas (en pozo), entre los principales.
Prácticas de perforación
Monitoreo y análisis constante de parámetros para optimizar
la limpieza de hoyo, bombeo de píldoras, rotación continua,
repasos, toma de surveys optimizados, paradas de circulación
acorde a la limpieza del hoyo, etc.
El éxito operativo consiste en:
Realizar las operaciones sin afectación a las personas,
integridad operacional ni al ambiente.
Lograr sinergia entre personal de experiencia de las
compañías de servicio y operadora trabajando en equipo.
Estar abiertos a ser progresistas esto es cambio y mejora
continua de las actividades respaldados por los análisis de
riesgos y viabilidad que correspondan sin tomar atajos.
Mantener una comunicación clara, concisa y precisa de lo
que pasa en el pozo con un plan de comunicación
detallado y difundido al personal.
Realizar un análisis al final de cada pozo para documentar
los eventos de calidad, lecciones aprendidas y
oportunidades de mejora, a ser implementadas en las
operaciones siguientes en lo que aplique.
2.2 Optimización de Tiempos y Costos
La optimización de tiempos y costos de las actividades de
perforación con el taladro de 1000 HP, sin afectar a las
personas, integridad operacional ni al ambiente son parte de
los pilares para la viabilidad de este tipo de taladros.
En la sección 2.1 se indicaron las principales claves para la
optimización de la perforación, esto trae como valor agregado
la mejora de los tiempos y los costos asociados a la
perforación, cuyo análisis da una retroalimentación que
permite a su vez seguir optimizando las operaciones, siendo un
circulo virtuoso de mejora continua. Los indicadores
considerados fueron los tiempos y costos de la perforación
referenciados a los valores estimados de los pozos,
comparadas entre sí para un mismo pozo y entre los diferentes
pozos de la campaña.
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Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Previo a la perforación de un pozo se realiza un estimado de
tiempos y costos de las actividades de perforación planificadas
referenciados a la profundidad del pozo, expresado a través de
las curvas de tiempos y costos versus profundidad. Al final de
la perforación del pozo se comparan estos tiempos con los
reales.
El análisis de los tiempos tanto operacionales como planos,
productivos y no productivos son la clave para encontrar las
lecciones aprendidas, oportunidades de mejora y optimización
de procesos o tareas específicas.
Durante la perforación de un pozo se identifican diferentes
tipos de tiempos:
Tiempos Operacionales, Reales o totales: tiempo real
empleado en realizar una actividad durante la perforación.
Tiempos Limpios: es el tiempo real menos el tiempo no
productivo (NPT, non productive time, por sus siglas en
ingles).
Tiempos No Productivos: son tiempos ocupados en
solucionar problemas relacionados a la perforación.
Tiempos Productivos: son los tiempos utilizados en
operaciones relacionadas a la perforación.
Límite técnico: es el tiempo limpio menos los tiempos
invisibles, indica cuál es el menor tiempo técnicamente
posible para la perforación de un pozo con las condiciones
actuales de perforación. Este puede modificarse con la
implementación de mejoras en los procedimientos,
prácticas y/o tecnologías que se implementen. Donde los
tiempos invisibles son los tiempos en exceso (no
optimizados) en las operaciones en referencia a los
tiempos planificados por actividad.
Tiempos planos: son los tiempos transcurrido en
actividades sin avance en profundidad
Los análisis de los diferentes tiempos de perforación
mencionados son mostrados en la sección de resultados.
2.3 Metodología Empleada
La metodología empleada en el estudio fue una investigación
exploratoria, con un enfoque mixto (cualitativo y cuantitativo);
con:
Recopilar y validar la información de las campañas de
perforación de La Empresa Operadora en Ecuador desde
el año 2011 en base a los reportes finales de perforación y
apoyándose en herramientas informáticas para el manejo
de los datos.
Realizar un análisis comparativo de los tiempos
operativos y costos asociados de los taladros utilizados
por la Empresa Operadora en la perforación de pozos en
Ecuador visualizando las ventajas y desventajas respecto
a un taladro de 1000 HP.
Generar una matriz de riesgos de las operaciones de
perforación con barreras (medidas de prevención)
claramente identificadas, que eviten factores causales de
escalamiento y la materialización de eventos no deseados
que afecten a las personas, las operaciones o el medio
ambiente ha sido primordial para lograr la viabilidad de
usar un taladro de menores capacidades. En complemento
la matriz de riesgos debe contar con medidas de control
(mitigación) en caso de materializarse un riesgo.
Realizar un análisis de riesgos para el taladro de
perforación que nos permita identificar de forma oportuna
los riesgos asociados a su operación y establecer todas las
acciones de prevención y mitigación que ameriten para
minimizar los riesgos al valor más bajo posible.
Identificar las oportunidades de mejora en gestión
logística, contractual, servicios, operativas (prácticas
operacionales, tiempos y costos) con la filosofía Ganar-
Ganar entre la operadora y la compañía de servicio que
permitan una retroalimentación y mejora continua de los
procesos asociados a la perforación de pozos.
Buscar e implementar las mejores opciones en tecnología,
para viabilizar el uso del taladro de 1000 HP sin
afectaciones a las personas, integridad operacional ni al
ambiente.
Realizar las perforaciones de pozos con el taladro de 1000
HP en base a la planificación realizada considerando el
análisis previo.
Analizar los resultados
Generar conclusiones y recomendaciones.
2.3.1 Metodología para realizar la Matriz de Riesgos de
Operaciones de Perforación
La Matriz de Riesgos de las Operaciones de Perforación es la
clave para superar las limitaciones del taladro de 1000 HP y
colocar las barreras necesarias para perforar pozos que
convencionalmente se perforan con taladros de 2000 HP en la
Cuenca Oriente del Ecuador.
El procedimiento de elaboración de la matriz de riesgos
consiste en:
Con los líderes de los servicios de perforación realizar
reunión informativa de los datos y alcance del pozo a
perforarse y las especificaciones del taladro a usarse.
Socializar con el personal que ejecuta los servicios en
pozo el alcance de la matriz de riesgos a prepararse.
Identificar y preparar un listado de actividades y riesgos
asociados por servicio incluyendo medidas de prevención,
mitigación, probabilidad de ocurrencia y una asignación
de responsabilidades (Matriz RACI: ¿Quién rinde
cuentas? ¿Quién Ejecuta? ¿Quién Asesora? ¿A quién se
informa?)
Realizar el armado de la información de las líneas de
servicio en la matriz de riesgos en base al formato de las
tablas 2a y 2b.
Tabla 2a. Formato de la Matriz de Riesgos de Perforación – Parte 1. Riesgo Inherente
SECCIÓN LINEA DE
SERVICIO OPERACIÓN
RIESGOS
INHERENTES PROBABILIDAD SEVERIDAD
VALORACIÓN DEL RIESGO
INHERENTE
(Fuente: La Empresa Operadora, 2018)
40
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Tabla 2b. Formato de la Matriz de Riesgos de Perforación – Parte 2. Riesgo Remanente y RACI
ACCIONES
PREVENTIVAS
CORRECTIVAS
FACTORES DE ESCALAMIENTO
PLAN DE ACCIÓN AVANCE PROBABILIDAD SERVERIDAD
RIESGO
RESIDUAL
MATRIZ
RACI
(Fuente: La Empresa Operadora, 2018)
Realizar reunión de revisión y validación de la Matriz con
todos los líderes de servicios. Cada servicio debe conocer
la información ingresado por los otros ya que sus acciones
u omisiones los pueden afectar.
Revisión y aprobación de la Operadora
Difusión entre el personal de oficina y campo de la Matriz
de Riesgos
Retroalimentación y actualización de la matriz de acuerdo
a las particularidades del pozo a perforarse y aprobada por
los líderes de servicio y la Operadora.
2.3.2 Metodología para Generar el Análisis de Riesgos del
Taladro de 1000 HP
El análisis de riesgos del taladro de perforación requiere un
desarrollo particular y complementario a la Matriz de Riesgos
de Perforación, enfocado directamente en las limitaciones de
los diferentes sistemas del taladro; el proceso consiste en:
Reunir la información pertinente del taladro y del pozo a
ser perforado.
Realizar un dimensionamiento del taladro requerido para
perforar el pozo, estableciendo claramente los
requerimientos técnicos.
Comparar estos requerimientos con los datos técnicos del
taladro de 1000 HP y establecer las falencias de este y
posibles riesgos.
Determinar en equipo con los líderes de la compañía
proveedora del taladro de perforación, líderes de servicios
y la Operadora las medidas de prevención, mitigación y
planes de acción que correspondan.
Completar de forma detallada las tablas 3a y 3b.
Tabla 3a. Formato del Análisis de Riesgos del Taladro de 1000 HP - Parte 1. Riesgo Inicial
Actividades /
Pasos
PELIGRO RIESGO INICIAL
Descripción del Peligro y peores Consecuencias sin medidas de Prevención
o Mitigación en sitio
Categoría de la Perdida / Población
Afectada
Pro
bab
ilid
ad
Sev
erid
ad
Niv
el d
e R
ieg
o
(Fuente: Servicios Integrados de Perforación, Schlumberger, 2018)
Tabla 3b. Formato del Análisis de Riesgos del Taladro de 1000 HP - Parte 2. Riesgo Residual
Actividades /
Pasos
MEDIDAS DE CONTROL RIESGO RESIDUAL
Est
atu
s
Act
ual
izac
ión
Colocar todas las Medidas de Control Actuales y Planificadas, tomando en cuenta todos los Factores
que Contribuyen y Agravan
Pro
bab
ilid
ad
Sev
erid
ad
Niv
el d
e R
ieg
o
Medidas de Prevención Actuales y Planeadas para
reducir la Probabilidad
Medidas de Mitigación Actuales y Planeadas
para reducir la Severidad
(Fuente: Servicios Integrados de Perforación, Schlumberger, 2018)
Realizar reunión de revisión y validación del análisis de
riesgos del taladro con todos los líderes de servicios. Cada
servicio debe conocer la información ingresado; sus
acciones u omisiones pueden afectar el desempeño de sus
servicios con el taladro.
Revisión y aprobación la Operadora.
Difusión entre el personal de oficina y campo del análisis
de riesgos del taladro.
Retroalimentación y actualización del análisis de riesgos
del taladro de acuerdo con el rendimiento en pozos
previos, a los problemas, mejoras o cambios realizados en
el taladro y a las particularidades del pozo a perforarse.
El plan de acción que se genere debe cumplirse en tiempo y
forma para evitar eventos que afecten la integridad operacional
2.3.3 Metodología para Implementar Nueva Tecnología
La búsqueda y aplicación de las nuevas tecnologías
disponibles para la perforación de pozos, que sean apropiadas
con el taladro y las operaciones de perforación del presente
trabajo sigue los siguientes pasos:
Realizar la Matriz de Riesgos de las operaciones del pozo
a perforarse
Efectuar el Análisis de Riesgos del taladro
Buscar las oportunidades de implementar programas
especializados de ingeniería, materiales, productos,
servicios y/o equipos que sean apropiados de acuerdo con
los riesgos y planes de acción preparado.
Validar las opciones seleccionadas de tal forma que
agreguen valor a las actividades y disminuyan los riesgos
asociados a las mismas. La tecnología debe ser costo
eficiente y estar disponible en tiempo y forma para su
41
Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
implementación en la perforación. Esta validación debe
realizarse tanto con la compañía proveedora del taladro
como las de servicios de perforación para evitar
problemas en la implementación o afectaciones negativas
en rendimiento, tiempo y/o costo de algún servicio.
Las tecnologías validadas deben ser aprobadas por la
operadora e ingresadas al programa de perforación
incorporando en el mismo los procedimientos y
recomendaciones que correspondan para su correcta
implementación.
Posterior a la terminación del pozo se debe evaluar el
cumplimiento o no de la tecnología para continuar con su uso,
mejorarla o desecharla.
3. RESULTADOS
Desde el año 2011 al 2016, la Empresa Operadora de los
campos en la Cuenca Oriente del Ecuador, donde se realizó el
estudio, perforó 22 pozos con taladros desde 1500 HP hasta
2000 HP.
Con el taladro de 1000 HP # 102 se perforaron entre el 2016 y
2017 un total de 4 pozos, bajo la modalidad de Servicios
Integrados de Perforación.
En este trabajo se designaron los pozos como Piloto 01, Piloto
02, Piloto 03 y Piloto 04 (en orden cronológico de
perforación).
No se encontraron referencias previas de perforaciones de
pozos de las características de los perforados por la Empresa
Operadora realizadas con un taladro de 1000 HP.
3.1 Información de Campañas de Perforación
En la tabla 4 una comparativa de los pozos perforados por La
Empresa Operadora desde el 2011 al 2017 con los taladros de
1000 HP, 1500 HP y 2000 HP.
Tabla 4. Comparativo de Costos y Tiempos de los Pozos perforados por La Empresa Operadora del 2011 al 2017 con los taladros de 1000 HP, 1500 HP y
2000 HP.
Promedios
Campaña Revestidores # de Pozos Torre Costos (USD) Tiempo (Días) Pies perforados (pie) Costo (USD /pie) Días /100 pies
2011-2013 3 (13 3/8",
9 5/8", 7") 8 1500 a 2000 HP 5,049,681 23.9 10300 490.28 0.23
2014-2017 2 (13 3/8",
9 5/8”, 7”) 14 2000 3,815,659 19.2 10629 358.97 0.18
2016-2017 2 (9 5/8", 7") 4 1000 HP 2,991,423 22.2 10733 278.71 0.21
(Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
3.2 Gestión de Riesgos
Previa perforación de los pozos se preparó una matriz de
riesgos de las operaciones de perforación que se incluyó en los
programas de perforación, con mejoras continuas de acuerdo a
las lecciones aprendidas en pozos previos, siendo la del pozo
Piloto 04 la más actualizada (LA EMPRESA OPERADORA,
Programa de Perforación del pozo Piloto 04, 2017g).
Esta matriz presenta en forma detallada los riesgos de la
perforación identificados para el escenario de este artículo.
De manera similar se realizó un dimensionamiento del taladro
para cada pozo específico.
En base a estos resultados se determinaron los requerimientos
del taladro y se los compara con su real capacidad para cada
pozo específico. Cabe mencionar que como mejor práctica de
la industria los cálculos de dimensionamiento de taladro
consideran una sobretensión de 100 000 lbs, pero por las
limitaciones del taladro se consideró el límite de 50 000 lbs de
sobretensión (overpull por su nombre en inglés) para los
cálculos del taladro en todos los casos.
En la tabla 5 se realizó un comparativo de los requerimientos
en cuanto a capacidad del taladro de los pozos perforados
versus la capacidad del taladro complementado por un sumario
de las principales barreras incorporadas.
42
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Tabla 5. Comparativo de requerimientos del taladro versus su capacidad
(Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Tuscany, 2018; SLB, 2016-2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
Previo a la perforación de cada pozo se realizó el análisis de
riesgos del taladro de perforación para sus condiciones
específicas del mismo tomando en cuenta lo aprendido en los
pozos previos, dando paso a un proceso de mejora continua
para llevar al valor más bajo posible los riesgos asociados a la
perforación.
3.3 Aplicaciones Tecnológicas y Mejores Prácticas
Resultado de los datos técnicos del taladro, matriz de riesgos
de perforación y del análisis de riesgos del taladro se generaron
planes de optimización que fueron mejorándose pozo a pozo.
De las lecciones aprendidas, prácticas operacionales,
optimizaciones e implementaciones de tecnología se
realizaron implementaciones que agregan valor tanto a las
operaciones de perforación como de tiempos planos, a
continuación un sumario de los principales aspectos de la
perforación en donde se los ha implementado en la campaña
de perforación con el taladro de 1000 HP, haciendo la
diferencia para dar viabilidad al uso de este taladro,
destacándose además los beneficios asociados (LA
EMPRESA OPERADORA, Programa de Perforación del pozo
Piloto 01, 2016a; LA EMPRESA OPERADORA, Programa
de Perforación del pozo Piloto 02, 2017c; LA EMPRESA
OPERADORA, Programa de Perforación del pozo Piloto 03,
2017e; LA EMPRESA OPERADORA, Programa de
Perforación del pozo Piloto 04, 2017g):
Monitoreo de Torque & Arrastre (T&D)
Reporte de Retorno de Píldoras
Velocidad de Penetración
Viajes de Calibración
Toma de Surveys (Medida de inclinación y azimut)
Información de Pozo
Cementación
Tiempos Planos
Limpieza de Hoyo
Repasos
La tecnología aplicada en los pozos estudiados se presenta en
la tabla 6 con un sumario de las mismas y la diferencia con los
pozos convencionalmente perforados en la cuenca Oriente.
La tabla 6 también presenta un comparativo entre las
tecnologías usadas convencionalmente en la Cuenca Oriente
del Ecuador y las utilizadas en los pozos perforados con el
taladro de 1000 HP.
Las principales ventajas se resumen en:
Mejora en ROP y Optimización de tiempos de exposición
de las formaciones perforadas.
Mejor caliper del hoyo perforado
Menor número de ensamblajes de fondo
Buena calidad de los trabajos de cementación
Obtención de información de pozo
Optimización de parámetros de perforación
Mejora del análisis de muestras
Maximización de la vida útil del ensamblaje de fondo
(broca, estabilizadores, patines del motor/RSS).
Minimizar el volumen de ripios transportados y tratados.
TALADRO DE 1000 HP REQUERIMIENTOS MÁXIMOS DEL POZO DATOS ORIGINALES DEL TALADRO
SUMARIO DE LAS
PRINCIPALES BARRERAS
INCORPORADAS PILOTO
01
PILOTO
02 PILOTO 03 PILOTO 04
CAPACIDAD
NOMINAL DEL
TALADRO
CAPACIDAD
NETA
DEL TALADRO
Potencia del Malacate (HP)
814 815 815 814 1000 800 Mantenimiento preventivo antes de
iniciar operaciones
Capacidad del
Malacate (lb) 349000 392000 392000 333000 410000 lb 365000 lb
Uso de reductores de torque,
lubricante líquido y mecánico para reducir arrastre Mastil (lb) 349000 392000 392000 333000 410000 lb 365000 lb
Capacidad de
Almacenaje de Tubería (Set
Back)
(lb)
218000 224000 220000 218000 250000 lb 200000 lb Se coloca un máximo de 8000 pies
de tubería en la mesa
Top drive (lb-ft)
27000 30000 26600 26400
30260
(80 rpm)
25000
(80 rpm)
Mantenimiento preventivo antes de
iniciar operaciones y técnico de top
drive en locación. Uso de reductores de torque, lubricante
líquido y mecánico para reducir
arrastre
15130
(160 rpm)
15000
(120 rpm)
Bombas (HP)
2232 1995 1995 2232
3000 HP
(3 de
1000 HP)
2400 HP (3 de 800 HP)
Se agrego una bomba adicional de 700 HP
Tanques
(bls) 992 992 992 992
Sistema activo 750 bls
1 Píldorero de 80 bls
Sistema activo
750 bls
1 Píldorero de 80 bls
1 tanque adicional de 450 bls Se incorporo 2 pildoreros de 150
bls
43
Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Tabla 6. Tecnologías aplicadas en los pozos con Taladro de 1000 HP
Servicios Tecnología Aplicada en los pozos
perforados con el taladro de 1000 HP Pozos de la Cuenca Oriente
Ventajas diseño aplicado con el
taladro de 1000 HP
Perforación Direccional Uso de Tecnología Rotary Steereable
(RSS, Power Drive X6 ®SLB) Motores de Fondo
Mejores ROP, optimización de tiempos
de exposición y daño de formación. Minimización de washouts y por ende
mejores viajes y cementaciones.
Minimiza riesgos
Brocas
Tecnología de punta SteamBlade y Axe
Blade®SLB. Programas IDEAS® SLB,
Análisis DBOS®SLB
Brocas PDC Convencionales Mejores ROP. Menor número de BHA.
Optimización de tiempos
Cementación
Preflujos mejorados y lechada Optimizada
para mejorar adherencia y control de agua y gas. Programas CEMANTICS®SLB
Lechadas y preflujos convencionales Buenas cementaciones. Minimización de
daño a la formación
Registros LWD
De Ultima Tecnología (Triple combo sin
fuente e imágenes). NEOSCOPE®SLB -
GVR®SLB
No se usa, solo para casos especiales
Se asegura la información del pozo y
minimiza tiempos de exposición de las formaciones productoras, reduciendo el
daño de formación
Fluido de Perforación
Uso de lubricante líquido (Hydraspeed
®SLB) y mecánico (Drillbeads ®SLB),
puente particular por pozo y formación.
Software Virtual Hydraulics®SLB
Fluidos convencionales
Minimización del daño de formación y
optimización de parámetros de
perforación por la disminución del torque
y arrastre. Minimiza riesgos
Control de Solidos
Equipo de especial. Ripios con menos del
40% de humedad. Uso de zaranda secadora.
Utilización de unidad recuperadora de Drillbeads (lubricante mecánico) ®SLB
Equipo de control convencional Minimiza volumen de ripios a ser
transportados y tratados. Menos viajes.
Mud Logging
Uso de equipos de punta como el
DQ1000®SLB (Espectrógrafo de Masas) y Microscopio Digital de alta resolución directo
en pozo
Equipo de monitoreo convencional Mejora del análisis de muestras de pozo
que apoyan la decisión operativa
BHA Uso de Reductores de torque para maximizar
la vida útil del bha Sarta convencional
Mejora vida del ensamblaje y trabajo del taladro. Optimiza parámetros de
perforación
(Fuente: Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
3.4 Resultados de la Campaña de perforación con el taladro
de 1000 HP
Los resultados de los 4 pozos perforados con el taladro de 1000
HP del 2016 al 2017 están basados en los datos de los
reportes finales de perforación (LA EMPRESA
OPERADORA, Reporte Final de Perforación del pozo Piloto
01, 2016b; LA EMPRESA OPERADORA, Reporte Final de
Perforación del pozo Piloto 02, 2017d; LA EMPRESA
OPERADORA, Reporte Final de Perforación del pozo Piloto
03, 2017f; LA EMPRESA OPERADORA, Reporte Final de
Perforación del pozo Piloto 04, 2017) y se presentan a
continuación:
Los pozos perforados fueron direccionales tipo “J”
Modificado en dos secciones (12 ¼” y 8 ½”) y completados
con un revestidor superficial de 9 5/8” asentado al tope de la
formación Tiyuyacu y un liner de 7” asentado en la formación
Hollín. El diseño de los revestidores consideró que ambos eran
de producción por lo que se les aplicó el caso de evacuación
total.
No se presentaron eventos de pérdidas de equipos o
herramientas en el pozo, terminando todos los pozos a las
profundidades programadas.
Se mantuvo las mismas compañías de servicio durante todo el
proyecto, así como al personal involucrado en las operaciones.
Los tiempos y costos reales de perforación de los pozos se
mantuvieron por debajo de lo estimado.
En tabla 7 los tiempos, costos y profundidades alcanzadas por
pozo con indicadores de costo por pie y días por cada 100 pies
perforados, con la finalidad de disponer de parámetros de
comparación.
Tabla 7. Indicadores de los pozos perforados por el taladro de 1000 HP
Pozo Revestidores Torre Costos (USD) Tiempo (Días) Pies perforados Costo por pies (USD/pie) Días /100 pies
Piloto 01
2
(9 5/8", 7") 1000 HP
2,895,017 23.4 10882 266 0.22
Piloto 02 2,959,590 22.0 10665 278 0.21
Piloto 03 2,999,107 20.4 10808 277 0.19
Piloto 04 3,111,979 23.2 10578 294 0.22
Promedio 2,991,423 22.2 10733 279 0.21
(Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
Para el pozo Piloto 01 se estimaron los tiempos de perforación
considerando el peor escenario respecto a tiempos, incluyendo
un viaje de cambio de ensamblaje de fondo en las secciones de
12 ¼” y 8 ½” dando un total de 26.5 días. Para el resto de los
pozos se decidió mantener el tiempo planificado para disponer
un valor de referencia y comparar de forma objetiva el tiempo
planeado y los reales de los cuatro pozos perforados.
Las curvas de tiempos de perforación real versus profundidad
de los 4 pozos perforados se muestran en la figura 1,
incluyendo los datos de adelanto en días respecto al estimado
44
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
de tiempo de perforación planificado que en todos los casos se
consideró 26.5 días, que era el tiempo considerado en el peor
escenario.
Figura 1. Curvas de Tiempos vs Profundidad de los pozos perforados
(Fuente: La Empresa Operadora, 2018)
El análisis de la información es crucial para encontrar puntos
de mejora, cambiar procesos o implementar nuevos que
agreguen valor minimizando los tiempos y bajando los costos
de la operación. En las figuras 2 y 3 se muestra el rendimiento
general por pozo.
Figura 2. Rendimiento general de los pozos – Tiempos Perforando vs Planos
(en días) (Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Programa Righour ®Schlumberger, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
Figura 3. Pies por día perforados por pozo (Fuente: Datos: La Empresa
Operadora, 2018; Programa Righour ®Schlumberger, 2018; Elaborado por
Rodolfo Landivar, 2018)
En los tiempos planos, los de mayor peso son los viajes tanto
a superficie como a fondo de los ensamblajes, así como
corridas de los revestidores, por lo que se realizó su revisión y
evolución de un pozo a otro, verificando de esta forma si el
plan de optimización cumplió su meta.
Las figuras 4 y 5 muestran las velocidades de viaje en las
secciones de 12 1/4” y 8 ½”, respectivamente.
En la sección de 12 ¼” no se observan datos del viaje a fondo
debido a que en este hoyo no se lo realiza.
Figura 4. Velocidades Promedio de Viaje en la sección de 12 1/4” (Pies por
hora) (Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
Figura 5. Velocidades Promedio de Viaje en la sección de 8 1/2” (Pies por
hora) (Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Elaborado por Rodolfo
Landivar, 2018)
Otro de los tiempos planos que presentan oportunidades de
mejora, son los tiempos de repasos, conexión y registros de
desviación (surveys), cuyos resultados son comparados entre
los pozos perforados con el taladro de 1000 HP; ver figura 6.
Figura 6. Rendimiento del Taladro en tiempos de repasos, conexión y survey (min por parada) (Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018;
Programa Righour ®Schlumberger, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar,
2018)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Pro
fun
did
ad
[P
ies
]
Tiempo de Perforación [Días]
Piloto 01
Piloto 02
Piloto 03
Piloto 04
Sección de 12 1/4"
Sección de 8 1/2"
Plan: 26.5 días
Tiempo total Piloto 01: 23.4 días (3.1 días adelante)
Tiempo total Piloto 02: 22.0 días. (4.5 días adelante)Tiempo total Piloto 03: 20.4 días. (6.1 días adelante)Tiempo total Piloto 04: 23.2 días. (3.3 días adelante)
9.20 8.73 8.65 8.98
14.21 13.23 11.73 14.19
23.41 21.9620.38
23.17
0
5
10
15
20
25
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Tie
mpo (
día
s)
Pozos
Tiempo de Perforación Tiempo Plano
Promedio: 22.2 días
465486
530
457
0
100
200
300
400
500
600
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Pie
s / d
ía
Pozos
Pies/día Perforado
Promedio: 484 pies/día
341
270
352
600
314337
258
400
0
100
200
300
400
500
600
700
12 1/4" 12 1/4" 12 1/4" 12 1/4"
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Velo
cid
ad P
rom
edio
de v
iaje
(pie
s/h
r)
Pozos
Velocidad Promedio de Viaje a Superficie Velocidad Promedio de Viaje a Fondo Velocidad Promedio de Corrida de Revestidor
518 533
600580
251213
480
550
329309
460
170
0
100
200
300
400
500
600
700
8 1/2" 8 1/2" 8 1/2" 8 1/2"
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Velo
cid
ad P
rom
edio
de v
iaje
(pie
s/h
r)
Pozos
Velocidad Promedio de Viaje a Superficie Velocidad Promedio de Viaje a Fondo Velocidad Promedio de Corrida de Revestidor
9.007.28
9.46 10.14
3.434.55
4.52 4.58
6.085.09
4.465.47
18.5116.92
18.44 20.19
0
5
10
15
20
25
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Tie
mpo
i (m
in)
Pozos
Tiempo de Repaso Tiempo de Conexión Tiempo de Survey
Promedio: 18.5 días
45
Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
En base a los tiempos no productivos, tanto por pozo como por
categoría, se generó la figura 7 donde se puede identificar los
factores que nos afectan en los tiempos y poder tomar las
medidas necesarias para reducir el mismo. Esta información
alimentará el análisis de riesgos del taladro y validará las
diferentes medidas de prevención tomadas o generará una
oportunidad de mejora.
Figura 7. Tiempo no Productivo (NPT) por pozo y por categoría (horas por
actividad) (Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Programa Righour
®Schlumberger, 2018; Elaborado por Rodolfo Landivar, 2018)
En la figura 8 se presentan los comparativos de tiempos de los
pozos perforados que permiten identificar el límite técnico
promedio de un pozo perforado con un taladro de 1000 HP en
19 días.
Figura 8. Comparativa de tiempos reales, limpios, límite técnico e invisible
(Fuente: Datos: La Empresa Operadora, 2018; Elaborado por Rodolfo
Landivar, 2018)
La comparativa de las curvas de costos reales de los pozos
perforados se presenta en la figura 9, mostrando un sumario de
los ahorros por pozo.
Figura 9. Curvas de Costos vs Profundidad de los pozos perforados (Fuente:
La Empresa Operadora, 2018)
4. DISCUSIÓN
De los 4 pozos perforados y analizados, el pozo Piloto 1 llego
a la mayor profundidad de 10882 ft con un desplazamiento
horizontal de 3282 pies con un Angulo máximo de 24.3°.
La gestión de riesgos realizada con el taladro de 1000 HP en
base a los requerimientos de los pozos perforados permitió
identificar las falencias, debilidades y oportunidades de mejora
del taladro de 1000 HP.
Para viabilizar la perforación de pozos a profundidades
promedios de 10500 pies a la formación Hollín con
desplazamientos del orden de 3300 pies con un taladro de 1000
HP se realizó un gerenciamiento de los riesgos a través de una
matriz de riesgos de las actividades de perforación iniciando
en el primer pozo de la campaña, el Piloto 01 (LA EMPRESA
OPERADORA, Programa de Perforación del pozo Piloto 01,
2016a) y la respectiva actualización para cada nuevo pozo,
complementado con un análisis de riesgos del taladro de tal
forma de identificar los riesgos y colocar todas las barreras
que se requieran para evitar eventos que afecten a las personas,
la integridad operacional y al ambiente.
En la tabla 4 se observa la evolución de pozos de 3 a 2
revestidores con taladro de al menos 1500 HP con ahorros
promedios de costos de $ 1.2 Millones de dólares y 4.7 días.
Al comparar a su vez el diseño de 2 revestidores realizado con
el taladro de 1000 HP con el realizado con el taladro de 2000
HP, se observa una disminución del costo promedio por pozo
de 824 mil dólares por pozo a pesar de que los tiempos por
pozo se incrementan en 3 días.
En la tabla 7 y figura 1 se observa que del pozo Piloto 01 al
Piloto 03 hubo una mejora continua en los tiempos de la
perforación de 23.4 días a 20.4 días producto de la
implementación continua de procesos de mejora en el taladro
como se indica en la tabla 5 acerca de las barreras
incorporadas, complementado con el análisis de riesgo,
además de la optimización operativa a través de la aplicación
de las mejores prácticas de perforación y lecciones
aprendidas, realizando sinergia con la tecnología de punta (ver
tabla 6) utilizada en los pozos perforados con el taladro de
1000 HP.
El pozo Piloto 04 estuvo afectado en tiempos ante la presencia
de H2S, avenidas de gas y eventos de pérdida de circulación
en el hoyo de 8 ½” durante la bajada del liner de 7”, que fueron
anómalos para el campo, ya que de la información de los pozos
previos no se tenía referencias similares. En complemento,
observando la curva de tiempos versus profundidad del pozo
Piloto 04 al final de la perforación (figura 1) se evidencia un
adelanto respecto al pozo Piloto 03 que tiene el menor tiempo,
mostrando que, si no hubieran ocurrido los eventos
mencionados, el Piloto 04 hubiera sido el mejor pozo de la
campaña.
El rendimiento por pozo mostrado figura 2, muestra una
tendencia a disminuir los tiempos planos 14.2 días en el pozo
Piloto 01 a 11.7 días en el pozo Piloto 03, en adición el tiempo
perforando baja de 9.2 días a 8.6 días respectivamente. El
43
16.512
51
0
10
20
30
40
50
60
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
NP
T (
hora
s)
Pozos
Taladro Servicios Pega de Tubería
Perdida de Circulación H2S Control de Pozo
23.42
21.96
20.38
23.17
21.80 21.27
19.9021.04
18.91 18.77 18.5819.50
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0
5
10
15
20
25
Piloto 01 Piloto 02 Piloto 03 Piloto 04
Tie
mpo In
vis
ible
(Día
s)
Tie
mpo R
eal, L
impio
y L
ímite T
écnic
o (D
ías)
Pozos
Tiempo Real Tiempo Limpio Límite Técnico Tiempo Invisible
$-
$1,000
$2,000
$3,000
$4,000
$5,000
$6,000
$7,000
$8,000
$9,000
$10,000
$11,000
$- $0.50 $1.00 $1.50 $2.00 $2.50 $3.00 $3.50
Pro
fun
did
ad
(p
ies)
Costo (USD) Millones
Piloto 01
Piloto 02
Piloto 03
Piloto 04
Costo Piloto 01: $ 2.89 MM USD ( $ 311 K USD de ahorro)Costo Piloto 02: $ 2.96 MM USD ( $ 381 K USD de ahorro )Costo Piloto 03: $ 2.99 MM USD ( $ 341 K USD de ahorro )Costo Piloto 04: $ 3.11 MM USD ( $ 303 K USD de ahorro )
Sección de 12 1/4"
Sección de 8 1/2"
46
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
efecto de los eventos en el Piloto 04 afectaron en particular a
los tiempos planos llegando a 14.19 días mientras que el
tiempo perforando fue de 8.98 días.
En cuanto a las velocidades de viaje (ver figuras 4 y 5), los
viajes a superficie presentan tendencia a aumentar en las fases
de 12 ¼” y 8 ½”, indicando buenas condiciones de hoyo; en
particular resalta el pozo Piloto 04, en la sección de 12 ¼”
presenta una velocidad de 600 pies/hr.
En la figura 4 no se marcan las velocidades de viaje a fondo
debido a que una de las optimizaciones del plan de perforación
era optimizar los tiempos de la sección de 12 ¼” eliminando
el viaje de calibración. Esta práctica fue muy exitosa y como
se observa en ninguno de los 4 pozos se realizó. En la sección
de 8 ½” (ver figura 5) no se observa mejora en velocidades de
viaje a fondo en los dos primeros pozos (Piloto 01 y Piloto 02)
pero si en los dos últimos producto de la mejora en las
practicas operacionales y la implementación de los lubricantes
líquido (Lube y Hydraspeed ®SLB) y mecánico
(Drillbeads®SLB) en el fluido de perforación, llegando a
duplicar la velocidad de bajada de 251 pies/hr en el Piloto 01
a 550 pies/hr en el Piloto 04.
En cuanto a las velocidades de corrida de revestidor, tanto en
las secciones de 12 ¼” como en 8 ½”, se observa una tendencia
a aumentar excepto en el pozo Piloto 04, donde el liner de 7”
tuvo la menor velocidad de corrida de la campaña con 170
pies/hr atribuyéndose al mayor tiempo de exposición de las
formaciones y mayor cantidad de maniobras en el hoyo.
Los tiempos del taladro respecto a repasos (ver figura 6) tuvo
tendencia a aumentar desde el inicio de la campaña debido al
objetivo de dejar el hoyo en buenas condiciones con el
ensamblaje de perforación saliendo y entrando libre, de tal
forma que se invirtió tiempo en acondicionar el hoyo.
Para los tiempos de conexión no se observaron mejoras
significativas debido principalmente a la aplicación parcial de
la llave de tubulares ST61 que no se la pudo tener disponible
todo el tiempo. Los tiempos de registro direccional (survey)
han presentado un comportamiento irregular con su mejor
tiempo en el pozo Piloto 03 con 4.5 min y el peor tiempo en el
pozo Piloto 01 con 6.1 min.
Los tiempos no productivos (NPT, No productive time, por sus
siglas en inglés) cayeron de 43 hrs en el Piloto 01 a 12 hrs en
el Piloto 03 (ver figura 7), principalmente a las acciones
preventivas tomadas para gestionar los riesgos debido a las
limitaciones de capacidad del taladro de 1000 HP (ver tablas
5). En el pozo Piloto 04, el NPT debido a condiciones de hoyo
(H2S, pérdidas de circulación e influjos de gas) causaron que
el NPT llegue a 50.7 hrs.
La comparativa de tiempos reales, tiempos limpios, límite
técnico y tiempos invisibles (ver figura 8) muestra una
disminución continua de los mismos desde el Piloto 01 al
Piloto 03, cayendo los tiempos limpios desde 21.8 días a 19.9
días, respectivamente. Nuevamente los indicadores del pozo
Piloto 04 se ven afectados por los eventos durante la
perforación de la fase de 8 ½”. El límite técnico promedio de
un pozo de 2 revestidores (9 5/8” x 7”) con un taladro de 1000
HP está en 19 días. Lo anterior se ve corroborado por los pies
por día perforados mostrados en la figura 8 que tuvieron una
tendencia ascendente hasta llegar a los 530 pies/día en el Piloto
03 cayendo a 457 pies/día en el Piloto 04.
En el tema de costos de los pozos (ver tabla 7 y figura 9), la
diferencia de costos es de aproximadamente $ 104 mil dólares.
En el caso del pozo Piloto 04 debido a los eventos
mencionados se aleja de los costos de los pozos previos
llegando a $ 3.1 Millones de dólares
Los resultados expuestos muestran que la metodología
aplicada permitió la viabilidad del uso del uso de un taladro de
1000 HP en la perforación de pozos que por sus profundidades
venían siendo perforados con taladro de 1500 HP o superiores.
5. CONCLUSIONES
Las perforaciones de pozos con el taladro de perforación de
1000 HP son viables técnicamente.
Los 4 pozos perforados por la Empresa Operadora en los
campos de la Cuenca Oriente del Ecuador se completaron sin
afectaciones a las personas, integridad operacional ni al
ambiente.
La metodología empleada en el trabajo se validó con los
resultados de los pozos perforados y puede ser replicada en
otros proyectos.
La gestión de riesgos fue clave para lograr la aplicabilidad del
taladro de 1000 HP.
El pozo Piloto 01 fue el de mayor profundidad llegando a los
10882 pies de profundidad, con 3282 pies de desplazamiento
horizontal y 24.3° de inclinación, siendo perforado en hoyos
de 12 ¼” x 8 ½” y completado con revestidores de 9 5/8” y
liner de 7”, respectivamente.
El límite técnico de un pozo perforado por un taladro de 1000
HP es de 19 días mientras que el promedio de tiempo de
perforación actual es de 22.2 días, lo que implica que hay
oportunidades de mejora que deben ser aprovechadas con la
retroalimentación continua de lecciones aprendidas, mejores
prácticas y opciones de nueva tecnología a implementarse en
los pozos.
El uso de un taladro de 1000 HP permitió un ahorro de $ 334
K USD en promedio en los pozos perforados.
Se han perforado los pozos con un promedio de 4.4 días de
adelanto relativo al plan de perforación.
Los 4 pozos perforados presentan un porcentaje de producción
real versus la estimada de 218% mostrando que la perforación
fue realizada sin afectación a las formaciones productoras.
El logro de perforar pozos a Hollín con un taladro de 1000 HP
abre las puertas a la Empresa Operadora de ampliar su
47
Landívar, Rodolfo; Loaiza, Marco; Valencia, Raul
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
campaña de perforación y a otros operadores de tomar esta
experiencia y aplicarla en sus proyectos.
El trabajo del personal técnico de la Empresa Operadora, del
proveedor de taladro perforación, de la compañía de Servicios
Integrados y de las demás compañías que brindaron servicios
complementarios, han dados resultados positivos creando
sinergia y gestionando los riesgos.
6. RECOMENDACIONES
Mantener en las próximas campañas de perforación de la
Empresa Operadora el uso del taladro de 1000 HP en la Cuenca
Oriente del Ecuador y replicar en otros proyectos de la
compañía a nivel internacional.
Replicar esta experiencia en otras operadoras agregando valor
a sus proyectos con el ahorro de tiempos y costos.
Continuar el proceso de mejora continua para implementar
nuevas barreras, lecciones aprendidas, prácticas operacionales
y tecnologías para llegar al límite técnico del tiempo de
perforación.
AGRADECIMIENTOS
El autor agradece a la compañía Operadora de los Campos
donde se realizó el estudio, a Tuscany Perforación Petrolera
Tuscanyperf S.A. (“Tuscany”) y Schlumberger del Ecuador S.
A. que han permitido usar su información para el desarrollo
del trabajo. A la Escuela Politécnica Nacional y en particular
a sus Profesores Msc. Marco Loaiza y Msc. Raúl Valencia por
el apoyo brindado.
REFERENCIAS
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Engineers
BIOGRAFÍAS
Rodolfo Landívar. Ingeniero en
Petróleos de la Escuela Politécnica
del Litoral, Master en “Gestión para
la Exploración y Producción de
Petróleo” de la Escuela Politécnica
Nacional, cuenta con un diplomado
en Desarrollo Directivo del IDE
Business School. Profesional con 27
años de experiencia en la Industria
Hidrocarburífera Nacional e Internacional. Ing. de Reservorios
y Producción en la DNH, Ing. de Registros Eléctricos en
Halliburton, Lider de Ingeniería en B.J. Services, Especialista
en Completaciones y Lider del Proyecto de Perforación en
Petrobras, Senior en Construcción de Pozos y Gerente de
Perforación en Ivanhoe Energy Ecuador, Senior de
Perforación y Gerente de Proyectos de Servicios Integrados en
Schlumberger del Ecuador S. A. Actualmente es Gerente de
Proyectos de Schlumberger asignado a ENAP SIPEC.
Marco Loaiza Córdova: Ingeniero
de Petróleos Escuela Politécnica
Nacional. Posee un MBA de la
Universidad Francisco de Victoria
de Madrid, un Master en Ciencias en
Petróleo y Gas por la Swiss Business
School, un Master en Política y
Estrategia Empresarial por el Tecnológico de Monterrey, 14
años en la industria Nacional e Internacional en Argentina,
Brasil & USA, en Petrobras Ecuador, Petrobras Internacional
y Tecpetrol. Actualmente se desempeña como como Líder
Senior de Perforación en ENAP SIPEC, además es profesor de
la Maestría en Gestión para la Exploración y Producción del
Petróleo en la Escuela Politécnica Nacional y también es
Docente en Maestría en Petróleos, Mención en Procesos de
Producción e Industrialización de Hidrocarburos en la
Universidad Tecnológica Equinoccial.
48
Perforación Optimizada de Pozos con un Taladro de 1000 hp en los Campos PBHI-MDC
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Raúl Valencia. Ingeniero en Petróleos y
Magister en Ingeniería Industrial por la
Escuela Politécnica Nacional. Profesor
Titular a Tiempo completo en la Carrera de
Ingeniería en Petróleos desde 1998.
Actualmente es jefe del Departamento de
Petróleo. Sus intereses de investigación se
centran el Área de Petróleos específicamente en la Línea de
Yacimientos de Hidrocarburos y Recuperación Mejorada.
49
50
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 24/09/2018
Aceptado: 26/03/2019
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCCIÓN
La radiación ionizante, liberada por los átomos en forma de
ondas electromagnéticas (OMS, 2016), transporta energía
suficiente para ionizar el medio que atraviesa y es capaz de
romper ligaduras de átomos y moléculas (González y Rabin,
2011); al tratarse de materia viva puede afectar las células y
derivar en efectos biológicos nocivos para la salud. (Arceiz et
al., 2015). La radiación puede ionizar un sistema biológico por
efecto directo cuando afecta a moléculas críticas: proteínas,
enzimas, ADN; pero al ser sistemas esencialmente acuosos, se
generan también moléculas intermedias (radicales libres) con
alta reactividad química, se produce entonces un efecto
indirecto. (Cascón, 2009). Los radicales pueden causar daños
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en
laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación
ionizante y en el Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela
Politécnica Nacional
Vásquez, Sandra1; Villacis, William1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria, Quito, Ecuador
Resumen: El presente trabajo describe la implementación de un programa de protección radiológica en los laboratorios que
utilizan equipos y fuente generadora de radiación ionizante. Se conoció el proceso de regularización iniciado en cada área, se
elaboró y levantó la información en una lista de revisión del cumplimiento legal de los permisos vigentes tanto para el POE
como para el área de estudio. La exposición laboral en cada área se la consiguió con los reportes de dosimetría personal del
POE y se comparó con los límites permisibles. La medición de dosimetría ambiental, se realizó con un equipo detector Geiger
Müller, en la zona de influencia de cada área de estudio. Luego se construyó y levantó la información en una lista de revisión
en base a los hallazgos establecidos en los informes de inspección realizados por la SCAN según el reglamento de seguridad
vigente. Se elaboró una lista de problemas comunes y se priorizó con el método de Pareto, donde se propuso e implementó
medidas de prevención y control a la exposición laboral a radiación ionizante inmediatas para el 80% de los incumplimientos
totales. Con el uso de manuales, procedimientos y registros se obtuvo el 75% de las licencias de funcionamiento para las áreas
de estudio y el 25% corresponde al Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de Rayos X, que aprobó el proceso de
inspección realizado por la SCAN y solicitó la emisión de la licencia de funcionamiento al Ministerio de Electricidad y Energía
Renovable en el segundo cuatrimestre del 2016.
Palabras clave: Personal ocupacionalmente expuesto (POE), protección radiológica, radiación ionizante, dosis de radiación
ionizante, personal radio expuesto.
Implementation of a Radiological Protection Program in laboratories
that use ionizing radiation equipment and sources and in the Dental
Radiodiagnosis Service of the Escuela Politécnica Nacional
Abstract: The present work describes the implementation of a radiological protection program in the laboratories that use
equipment and source of ionizing radiation. The regularization process initiated in each area was known, and information was
prepared and collected in a checklist of legal compliance with the current permits for both the POE and the study area.
Occupational exposure in each area was achieved with the reports of personal dosimetry of the POE and compared with the
allowable limits. The measurement of environmental dosimetry was performed with a Geiger Müller detector, in the area of
influence of each study area. The information was then constructed and lifted in a checklist based on the findings established
in the inspection reports made by SCAN according to the current safety regulations. A list of common problems was developed
and prioritized with the Pareto method, where immediate prevention and control measures were proposed and implemented
for immediate ionizing radiation exposure for 80% of total noncompliance. With the use of manuals, procedures and records,
75% of the operating licenses for the study areas were obtained and 25% corresponds to the Laboratory of Mineralogical
Analysis and X-Ray Diffraction, which approved the inspection process carried out by SCAN and requested the issuance of
the operating license to the Ministry of Electricity and Renewable Energy in the second quarter of 2016.
Keywords: Occupationally exposed personnel (OEP), radiological protection, ionizing radiation, doses of ionizing radiation,
exposed radio personnel.
51
Vásquez, Sandra; Villacis, William
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
a las funciones celulares y producir la muerte de la célula o
impiden que ésta se reproduzca, o altere la información
genética (OIEA, 1994). Por las razones expuestas, una práctica
que conlleve exposición a radiación ionizante solo debe
adoptarse si reporta un beneficio justificado a la sociedad y la
protección y seguridad del personal expuesto debe ser
optimizado (OIEA, 1997). Es importante establecer límites de
dosis de radiación ionizante recibidas por el POE para asegurar
la protección frente a exposiciones. (Secretaría de la Política
Sindical, 2010)
Es importante para la Escuela Politécnica Nacional, la
realización de un estudio que involucre propuestas e
implementación de medidas de control de los riesgos
radiológicos en el personal expuesto en el Laboratorio de
Ensayos No Destructivos, Laboratorio de Ensayo de
Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas, Laboratorio de
Análisis Mineralógico y Difracción de Rayos X y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico (SRO) de la
Escuela Politécnica Nacional, que permita mantener niveles
tolerables dentro de norma, evitar sanciones y alcanzar los
permisos necesarios. Las bondades de la utilización de la
radiación ionizante y de las sustancias radiactivas, en diversos
ámbitos prestan muchos beneficios, por lo que el POE debe
protegerse técnicamente para no prescindir de su utilización
(Gallegos, 2012). La filosofía de la protección radiológica,
fundamentada en los efectos biológicos de las radiaciones
ionizantes, fue establecida por la Comisión Internacional de
Protección Radiológica (ICRP) (Preciado y Luna, 2010). El
Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)
involucra la regulación, evaluación, fiscalización y control por
parte de autoridades competentes de cada país dentro del
régimen legal internacional, establecidos en convenciones,
tratados, leyes, reglamentos y normativa al respecto de la cual
el Ecuador es parte (Vivallo et al., 2010). Conforme con la
OIT, los costos humanos así como los económicos de los
accidentes y enfermedades profesionales son elevados, por lo
que es importante su prevención, por lo que se requiere un
esfuerzo conjunto entre el estado, condiciones de trabajo,
empleador y trabajador, con una mejor comunicación, con
mayor capacitación en las empresas, con un trabajo positivo y
comprometido de todos los actores que gestionan la
prevención (Picado y Durán, 2006), por lo que a través de la
higiene industrial, se obtiene información del riesgo para la
salud de los trabajadores, al estudiar el ambiente de trabajo,
para comparar con los límites permisibles establecidos en la
legislación nacional o internacional (INSHT, 2000). Se debe
aplicar una vigilancia sanitaria especial cuando se sospecha
que se ha superado alguno de los límites de dosis establecidos,
en los pacientes que existen ciertas condiciones singulares que
afectan el modo normal de la utilización de los principios
fundamentales de la protección radiológica (Servicio de Física
Médica y Protección Radiológica, 2012). El Ecuador no
dispone de legislación actualizada que regule y controle el
buen uso de las radiaciones ionizantes, que garantice la
seguridad de los usuarios, que puedan estar directa o
indirectamente expuestos a esta clase de radiaciones, a fin de
que su empleo se realice sin riesgos, por lo que constituye en
el país un grave problema de salud pública (República del
Ecuador, 1979). En las responsabilidades de nuestro país,
establecidas en la constitución del 2008, están la creación de
condiciones favorables de salud para su población, donde el
Ministerio de Electricidad y Energía Renovable cumple con su
deber de proteger a la población contra los efectos nocivos de
la radiación ionizante, razón por la que la Subsecretaría de
Control y Aplicaciones Nucleares inspecciona los lugares
donde se utilizan equipos que generan radiaciones ionizantes,
donde se verifica que cuenten con un programa de control de
radiaciones que cumpla con las disposiciones legales vigentes
y recomendaciones internacionales de un programa de
protección radiológica (República del Ecuador, 1979). Con el
desarrollo del presente trabajo, se identifica y apoya a la
implementación de medidas de prevención y control para el
riesgo radiológico en el POE, en las áreas de estudio de la
Escuela Politécnica Nacional, dando cumplimiento a la
legislación vigente, a fin de que permita mantener los permisos
vigentes, así como cumplir ante las inspecciones de los entes
reguladores. El presente trabajo parte de la revisión
bibliográfica, donde se describen importantes conceptos como
radiación ionizante, riesgo radiológico y gestión del riesgo
radiológico, además de la legislación vigente sobre radiaciones
ionizantes. La metodología aplicada para implantar un
programa de protección radiológica en las áreas de estudio
consiste en: Levantar la información del POE y de los equipos
emisores de radiación ionizante; levantar información de los
permisos de funcionamiento del área de estudio y los servicios
que se presta; elaborar distintas listas de verificación con los
hallazgos encontrados por el SCAN en las inspecciones
realizadas y con el reglamento de seguridad radiológica en
función del equipo emisor y del servicio prestado; evaluar la
exposición laboral a radiación ionizante, del POE mediante los
reportes de la dosimetría personal bimensual; evaluar la
exposición del público en las áreas de estudio con la medición
de la radiación ionizante ambiental, con un equipo Geiger
Müller; plantear medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante, en función de los
hallazgos encontrados en el cumplimiento legal de las áreas de
estudio; mitigar los riesgos de exposición a radiación ionizante
en la fuente, en el medio de transmisión y en el receptor,
mediante la implementación de manuales, procedimientos y
registros; evaluar la efectividad del programa de protección
radiológica en las áreas de estudio con la verificación del
cumplimiento del reglamento de seguridad radiológica vigente
y el levantamiento de los hallazgos establecidos en los
informes de la SCAN, que permita mantener los permisos de
funcionamiento vigentes; discutir sobre los resultados
alcanzados; establecer las conclusiones y recomendaciones en
función del trabajo desarrollado y de los resultados
alcanzados.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Identificación de las áreas donde el personal está expuesto
a riesgo radiológico
En las áreas de estudio, se levantó información de los equipos
y fuentes que emiten radiaciones ionizantes, el POE y el
público, esto permitió elaborar una lista de revisión sobre el
cumplimiento legal, y se verificó los cambios en los equipos y
fuentes emisoras de radiación ionizante, la licencia de
funcionamiento, fecha de emisión, fecha de renovación, el
POE del área de estudio, el dosímetro personal del POE, la
52
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
fecha de emisión y la fecha de renovación de la licencia
personal del POE.
2.2 Evaluación de la exposición laboral a radiación ionizante
La dosimetría personal se obtuvo de los reportes bimensuales
de la lectura del dosímetro personal de cada POE que labora
en las áreas de estudio, emitidos por el laboratorio autorizado
por la SCAN, los mismos que fueron proporcionados por los
Oficiales de Seguridad Radiológica de la Escuela Politécnica
Nacional y la dosimetría ambiental de cada área de estudio, fue
medida durante la realización de los ensayos y prestación de
los servicios.
2.2.1 Dosimetría personal
La dosimetría del POE de cada área de estudio fue
proporcionada, a través de los reportes bimensualmente
emitidos por el laboratorio que cuenta con la autorización del
ente de control MEER-Q-1086 y que ha sido contratado por la
Escuela Politécnica Nacional para dar cumplimiento a la
legislación vigente, para el período comprendido desde el 20
de marzo de 2014 hasta el 19 de marzo de 2015. La dosis del
POE bimensual se comparó con el límite máximo permitido en
la legislación vigente que es de 50 mSv/año (República del
Ecuador, 1979).
2.2.2 Dosimetría ambiental
La medición de la dosimetría ambiental de cada una de las
áreas de estudio se realizó con los equipos marca Inspector de
Radiación Ionizante, tienen un tubo Geiger-Müller, con una
apreciación de 0.01 μSv/h y que mide hasta 100 μSv/h, y que
cuentan con los certificados de calibración vigentes.
En cada área de estudio, se realizaron varias mediciones de la
radiación ionizante ambiental en el área de trabajo y durante el
uso de la fuente o equipo emisor de radiación ionizante, de las
cuales se reportaron las diez más altas por ser las condiciones
más críticas conforme el criterio de ALARA y se comparó con
los límites permitidos en la legislación vigente para el público
que es de 1 mSv/año (República del Ecuador, 1979).
2.3 Proposición de medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante
Para la proposición de medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante en las áreas de estudio
se realizó una verificación sobre el cumplimiento legal, el
equipo emisor o fuente de radiación ionizante, el
procedimiento de trabajo del POE durante la prestación del
servicio en condiciones normales, el servicio prestado, la
señalización, la prolijidad en el llenado de los registros durante
la ejecución del servicio prestado, las medidas de prevención
aplicadas.
2.3.1 Revisión del cumplimiento legal en las áreas de estudio
Las listas de revisión específicas para cada área de estudio
fueron elaboradas considerando dos aspectos: los hallazgos
levantados en los informes de inspección por parte de la SCAN
a cada área de estudio, en esa fecha y los artículos del
reglamento de radiaciones ionizantes vigente en el país,
aplicables al tipo de equipo o fuente emisora de radiación
ionizante y al servicio prestado.
2.3.2 Proposición de medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante en las áreas de
estudio
Las medidas de prevención y control a la exposición laboral a
la radiación ionizante en cada área de estudio, propuestas
fueron generalizadas para todas las áreas en consideración a un
agrupamiento de características comunes a los hallazgos
encontrados por la SCAN y a los artículos aplicables del
reglamento de seguridad radiológica vigente a cada área de
estudio.
Los problemas correspondientes al 80% de la frecuencia
acumulada, permitieron proponer medidas de prevención,
mitigación y control a la exposición laboral a radiación
ionizante para concluir con los procesos de regularización
iniciados en la SCAN y haciendo uso de los informes de
inspección a cada área de estudio y de los artículos aplicables
del reglamento radiológico conforme al tipo de equipo o fuente
emisora de radiación ionizante y al servicio prestado.
Las características comunes consideradas para el
agrupamiento de los hallazgos de las áreas de estudio,
respondieron a las siguientes interrogantes: es un equipo
requerido, es un documento del sistema preventivo, es un
requisito de competencia del POE, es una medida de seguridad
radiológica del área para prestar el servicio o es un permiso
requerido por el área para el servicio prestado.
2.4 Implementación de un programa de protección
radiológica en las áreas de estudio
El programa de protección radiológica en las áreas de estudio,
se estableció conforme a la priorización realizada haciendo uso
del método de Pareto, a los problemas encontrados, donde se
propuso medidas de prevención para levantar los hallazgos
encontrados en cada área de estudio en el corto y mediano
plazo.
El método de Pareto se aplicó al listado común de problemas
encontrados en el cumplimiento legal sobre radiación
ionizante, para las áreas de estudio, donde en una tabla se
colocó el listado de los problemas comunes y se registró el
número de áreas de estudio donde se presenta cada uno de los
problemas del listado, este número corresponde a la frecuencia
de ocurrencia del no cumplimiento a la norma legal, luego se
ordenó de mayor a menor la frecuencia, se calculó el
porcentaje de frecuencia y el porcentaje de frecuencia
acumulada.
La implementación consistió en establecer soluciones para las
causas de los problemas correspondientes al 80% de la
frecuencia acumulada, en consideración a las características de
cada área de estudio, donde las medidas de prevención y
control a la exposición laboral a radiación ionizante propuestas
consideró la priorización realizada con el método de Pareto y,
53
Vásquez, Sandra; Villacis, William
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
permitió actuar en el corto plazo, implementando las
soluciones propuestas a cada área de estudio, como medida de
prevención.
2.5 Verificación de la eficacia del programa de protección
radiológica implementado
La implementación de las medidas propuestas en el presente
trabajo de tesis permitió que el laboratorio de ensayo de
materiales y mecánica de suelos y rocas, así como el
laboratorio de análisis mineralógico y difracción de rayos X,
cumplan con los requerimientos y que la autoridad reguladora
SCAN autorice la emisión de las licencias de funcionamiento.
Con la implementación del programa de protección
radiológica en las áreas de estudio se cumplió con los objetivos
planteados en ésta tesis previa a la obtención de grado de
Magíster en Seguridad Industrial y Salud Ocupacional.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Resultados
3.1.1 Identificación de las áreas donde el personal está
expuesto a riesgo radiológico
En las áreas de estudio, se procedió a levantar la información
común básica sobre el cumplimiento legal, en Enero de 2015,
se verificó las licencias de funcionamiento, licencias
personales del POE, fechas de emisión y fechas de renovación,
dosímetros personales del POE y equipos emisores de
radiaciones ionizantes.
En el levantamiento de campo del Laboratorio de Ensayo de
Materiales y Mecánica de Suelos LEMSUR, de la Facultad de
Ingeniería Civil y Ambiental, se encontró que cuenta con tres
POEs, que ninguno tiene licencia personal, que solo dos de los
POEs poseen dosímetro personal, que el laboratorio no
cambiará ni aumentará sus equipos y que no cuenta con
licencia de funcionamiento.
En el levantamiento de campo del Laboratorio de Ensayos No
Destructivos (LEND), de la Facultad de Ingeniería Mecánica,
se encontró que cuenta con cuatro POEs, que dos poseen
dosímetros personales y licencias personales, que el
laboratorio no cambiará ni aumentará sus equipos y que cuenta
con la licencia de funcionamiento.
En el levantamiento de campo del Laboratorio de Análisis
Mineralógico y Difracción de Rayos X, se encontró que cuenta
con un POE para brindar el servicio, el mismo que tiene
dosímetro ambiental no controlado, no cuenta con licencia
personal, que se ha realizado el cambio del equipo emisor de
radiación ionizante del laboratorio y que no cuenta con la
licencia de funcionamiento.
3.1.2 Evaluación de la exposición laboral a radiación
ionizante
Dosimetría personal del POE de los laboratorios docentes y
del servicio de radiodiagnóstico odontológico de la Escuela
Politécnica Nacional
La Escuela Politécnica Nacional controla bimensualmente a su
POE, mediante el alquiler de dosímetros personales, cuya
lectura es realizada por un laboratorio externo autorizado por
el ente de control. Al POE de cada área de estudio se le
informa sobre los resultados de la lectura bimensual, y al final
de su período. Estas lecturas se encuentran descritas en la
Tabla 1.
Radiación ionizante ambiental de las áreas de estudio
Los resultados obtenidos en las mediciones de la radiación
ionizante ambiental en los laboratorios docentes y en el SRO
de la Escuela Politécnica Nacional se encuentran en la Tabla
2.
3.1.3 Proposición de medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante
Con base en los requisitos legales de cumplimiento,
establecidos en el reglamento de seguridad radiológica
vigente, se elaboraron listas de revisión para las áreas de
estudio y en el mes de marzo de 2015, con estas listas de
revisión se levantó hallazgos para asegurar un control efectivo
en el POE, de cada una de las áreas de estudio que permitió
detectar problemas de incumplimiento en la legislación
vigente.
54
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Tabla 1. Dosimetría personal del POE
ÁREAS DE ESTUDIO
Nombre del departamento Nombre de
usuario
Período
total
(meses)
Dosis acumulada
del POE (mSv)
Límite máximo
permitido al año
(mSv)
Norma recomendada por la
OIEA al año para el POE
(mSv)
Unidad de bienestar estudiantil / Servicio de
Radiodiagnóstico Odontológico POE SO 2 0,27 50 20
Laboratorio de ensayos no destructivos
ingeniería mecánica
POE LEND 1 8 0,82 50 20 POE LEND 2 8 0,67 50 20
POE LEND 3 2 0,11 50 20
POE LEND 4 2 0,26 50 20
Laboratorio de ensayo de materiales y
mecánica de suelos Ingeniería Civil y
Ambiental
POE
LEMSUR 1 10 1,23 50 20
POE LEMSUR 2
12 0,99 50 20
POE
LEMSUR 3 6 0,43 50 20
Laboratorio de análisis mineralógico y
difracción de rayos X Ingeniería Química y
Agroindustria
POE DEMEX
1 12 1,28 50 20
(Reportes de dosimetría personal bimensual emitidos por el laboratorio autorizado por el ente de control, 20 de Marzo de 2014 a 19 de Marzo de 2015)
Con los incumplimientos legales establecidos en los formatos
de revisión utilizados en la revisión de las áreas de estudio, se
procedió a elaborar una lista de incumplimientos legales
comunes sobre radiación ionizante y se elaboró una lista de
chequeo donde se verificó el número de laboratorios que
cumplen los requisitos legales, esto se encuentra tabulado en
la Tabla 3.
Con los problemas encontrados en el cumplimiento legal sobre
radiaciones ionizantes en las áreas de estudio, de la Tabla 3, se
calculó la frecuencia y porcentaje acumulado de los
incumplimientos legales sobre radiaciones ionizantes de las
áreas de estudio, cuyos resultados sirvieron para realizar el
diagrama de Pareto, representado en la Figura 1.
Tabla 1. Radiación ionizante ambiental de las áreas de estudio
Laboratorios docentes y unidad de bienestar estudiantil
No.
Radiación ionizante ambiental (mSv/h)
Límite máximo para público al año 1 mSv
Unidad de bienestar estudiantil
/ servicio de radiodiagnóstico
odontológico
Laboratorio de ensayos no
destructivos Ingeniería
Mecánica
Laboratorio de ensayo de
materiales y mecánica de
suelos Ingeniería Civil y
Ambiental
Laboratorio de análisis
mineralógico y difracción de
rayos X Ingeniería Química
y Agroindustria
Promedio 0,0333 0,0011 0,0039 0,0003
Desviación estándar 0,0031 0,0002 0,0016 0,0001
Tabla 2. Lista de problemas en el cumplimiento legal sobre radiación ionizante en las áreas de estudio
DESCRIPCIÓN CUMPLE NO
CUMPLE
NO
APLICA
No todo el personal de las áreas de estudio cuenta con la licencia personal de seguridad radiológica,
incumplimiento al artículo 9 del reglamento de seguridad radiológica. 1 3 0
Las áreas de estudio cumplen con las medidas de seguridad en sus instalaciones para el POE y para el público. 1 3 0
Todo el POE de las áreas de estudio cuenta con el tipo de dosímetro requerido. 0 4 0
Las áreas de estudio cuentan con la documentación requerida conforme a la ley. 1 3 0 Las áreas de estudio cuentan con las licencias de funcionamiento. 1 3 0
Figura 1. Diagrama de Pareto de los problemas en el cumplimiento legal sobre radiación ionizante en las áreas de estudio
55
Vásquez, Sandra; Villacis, William
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
3.1.4 Implementación de un programa de protección
radiológica en las áreas de estudio
El Programa de Protección Radiológica consistió en
implementar medidas de prevención y control propuestas en
base a los problemas en el cumplimiento legal encontrados en
las áreas de estudio, las cuales son:
Laboratorio de Ensayos No Destructivos: Mitigó la fuga
de las emisiones de radiación ionizante del búnker con una
placa de plomo en el interior del mismo, el POE usa
correctamente el dosímetro personal, registra los usos del
equipo y cumple con los procedimientos del manual
aprobado por la SCAN para el laboratorio.
Laboratorio de Ensayo de Materiales y Mecánica de
Suelos y Rocas: Elaboró la documentación del manual de
procedimientos, llenó los registros del manual de
procedimientos, el personal usa correctamente el
dosímetro antes de cualquier procedimiento con la fuente
de emisión de radiaciones ionizantes, señalizó el búnker
de almacenamiento de la fuente, señalizó la fuente,
adquirió el kit de emergencias radiológicas, realizó un
simulacro de emergencia radiológica, sometió a la
aprobación de la SCAN el manual de procedimientos y
registros y cumple con el manual de procedimientos y
registros aprobados.
Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X: Equipó el laboratorio con un dosímetro
ambiental regulado, señalizó el laboratorio, mantiene la
puerta del laboratorio cerrada.
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela
Politécnica Nacional: Cumple con el uso correcto del
equipo de protección personal tanto el POE como el
paciente, señalizó el área, no permite la presencia de otras
personas durante la toma de radiografías dentales al
paciente, el POE dispara para la toma de radiografías
dentales desde el lugar señalado, usa correctamente el
dosímetro personal antes de la toma de cada radiografía
dental, revisa periódicamente el estado de las láminas de
plomo del equipo de protección personal del POE.
3.1.5 Verificación de la eficacia del programa de protección
radiológica implementado
El manual de procedimiento en operaciones normales y en
casos de emergencia radiológicas del Laboratorio de Ensayo
de Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas, obtuvo la
aprobación de la SCAN.
Con la implementación del programa de protección
radiológica en las áreas de estudio se solucionó los problemas
en el cumplimiento legal.
El Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X de la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria,
fue inspeccionado por la SCAN.
3.2 Discusión
3.2.1 Identificación de las áreas donde el personal está
expuesto a riesgo radiológico
De acuerdo a los resultados identificados, se observa que en
los Laboratorios de Ensayo de Materiales y Mecánica de
Suelos LEMSUR, de la Facultad de Ingeniería Civil y
Ambiental, de Ensayos No Destructivos (LEND), de la
Facultad de Ingeniería Mecánica y de Análisis Mineralógico y
Difracción de Rayos X, presentan ciertos parámetros en los
cuales el personal está expuesto a riesgo radiológico como son:
la no tenencia de una licencia personal para su POE así como
no se cuenta en algunos casos con una licencia de
funcionamiento
3.2.2 Evaluación de la exposición laboral a radiación
ionizante
Dosimetría personal del POE de los laboratorios docentes y
del servicio de radiodiagnóstico odontológico de la Escuela
Politécnica Nacional
Las lecturas de los dosímetros personales que se les entrega a
cada POE, se encuentran especificados en la Tabla 1, y
cumplen con el límite máximo permisible establecido tanto por
la legislación nacional vigente (50 mSv/año) así como por lo
establecido por la OIEA (20 mSv/año).
Radiación ionizante ambiental de las áreas de estudio
De acuerdo a los valores de las mediciones de la radiación
ionizante ambiental en los laboratorios docentes y en el SRO
de la Escuela Politécnica Nacional que se encuentran en la
Tabla 2, que los valores más altos son para el SRO, debido a
que no existe una barrera en el área de rayos X, como medida
de control en el medio, por lo que el odontólogo realiza el
disparo para la toma de la radiografía, el lugar donde él se
ubica es el más alejado donde le permite la extensión del
disparador. Cabe señalar que los valores de radiación ionizante
ambiental en el SRO variaron debido a la ubicación del POE,
respecto de la fuente y la extensión del disparador del equipo.
3.2.3 Proposición de medidas de prevención y control a la
exposición laboral a radiación ionizante
Los problemas encontrados en el cumplimiento legal sobre
radiaciones ionizantes en las áreas de estudio, que se
encuentran detallados en la Tabla 3, sirvieron para determinar
la frecuencia y porcentaje acumulado de los incumplimientos
legales sobre radiaciones ionizantes de las áreas de estudio.
Para la primera descripción que se observa en la Tabla 3, se
determinó que sólo el Servicio de Radiodiagnóstico
Odontológico de las áreas de estudio cuenta con personal
competente en radiaciones ionizantes. En la segunda
descripción, se observó que solo el Laboratorio de Ensayos no
Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica, cumple
con las medidas de seguridad, en las otras tres áreas de estudio
se deberá mejorar la seguridad del POE y del público.
56
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
En la tercera descripción que se detalla en la Tabla 3, se
encontró que no todo el POE de las áreas de estudio cuenta con
dosímetro personal conforme a la ley. En la cuarta descripción,
se determinó que cumple solo el Laboratorio de Ensayos no
Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica.
En la quinta descripción citada en la Tabla 3, se encontró que
solo el Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad
de Ingeniería Mecánica cuenta con la licencia de
funcionamiento.
Dentro de los problemas que se aprecian en la Figura 1,
respecto a resolver en el corto plazo están: no todo el POE
cuenta con el tipo de dosímetro requerido, no cuentan con la
licencias personales, no cuentan con la documentación
requerida conforme a la ley, no cumplen con las medidas de
seguridad en sus instalaciones para el POE y para el público.
Los problemas de las áreas de estudio que deben reevaluarse y
que se observan en la Figura 1, son: que no todas las áreas de
estudio cuentan con la documentación requerida conforme a la
ley y que no todas las áreas cuentan con la licencia de
funcionamiento.
3.2.4 Implementación de un programa de protección
radiológica en las áreas de estudio
En el Laboratorio de Ensayos No Destructivos, la
implementación de una placa de plomo permitió mitigar la
fuga de las emisiones de radiación ionizante que salen del
búnker, el POE usa correctamente el dosímetro personal en su
puesto de trabajo y solo él opera el equipo debido a que tiene
su respectiva licencia de operación, registra los usos del equipo
y cumple con los procedimientos del manual aprobado por la
SCAN para el laboratorio, con la finalidad de tener respaldos
al momento de una auditoría y parámetros a seguir para el
correcto funcionamiento de los equipos.
En el Laboratorio de Ensayo de Materiales y Mecánica de
Suelos y Rocas, se elaboró la documentación del manual de
procedimientos, llenó los registros manual de procedimientos
con la finalidad de tener directrices para realizar una operación
planificada, el personal usa correctamente el dosímetro antes
de cualquier procedimiento con la fuente de emisión de
radiaciones ionizantes, para realizar la respectiva trazabilidad
al momento de tener una tasa de dosis ambiental superior al
permitido (10 μSv/h), la señalización en el búnker de
almacenamiento de la fuente es para prevenir que alguna
persona pueda acercarse puesto que es una señalética de
precaución, se señalizó la fuente para identificarla en caso de
pérdida, se adquirió el kit de emergencias radiológicas para en
caso de un evento de riesgo radiológico, el simulacro de
emergencia radiológica permitió ver los aciertos y fallas de los
operadores al momento de tener una emergencia, la SCAN
aprobó el manual de procedimientos y registros.
En el Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X, se equipó con un dosímetro ambiental regulado que
permite tener una lectura directa en tiempo real durante la
operación del equipo, la perfecta señalización restringe a que
ninguna persona no autorizada ingrese a esta zona donde se
encuentra el equipo de difracción de rayos X.
En el Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la
Escuela Politécnica Nacional se cumple con el uso correcto del
equipo de protección personal tanto el POE como el paciente
con la finalidad de disminuir la exposición, la señalización del
área, no permite la presencia de otras personas durante la toma
de radiografías dentales al paciente para protección ante
posible exposición radiológica innecesaria, el POE dispara
para la toma de radiografías dentales desde el lugar señalado
puesto que existe una distancia segura del POE en base a su
límite de tasa de dosis ambiental (10 μSv/h), usa correctamente
el dosímetro personal antes de la toma de cada radiografía
dental para realizar la trazabilidad de su exposición cuando se
envía al respectivo laboratorio que realiza la lectura de los
diferentes dosímetros, revisa periódicamente el estado de las
láminas de plomo del equipo de protección personal del POE
y del paciente y conoce que debe comunicar en caso de
deterioro del equipo de protección personal para tramitar el
cambio, esto se realiza para asegurar que la barrera a rayos X
cumpla su objetivo de apantalla la mencionada radiación
ionizante.
3.2.5 Verificación de la eficacia del programa de protección
radiológica implementado
El manual de procedimiento en operaciones normales y en
casos de emergencias radiológicas del Laboratorio de Ensayo
de Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas, obtuvo la
aprobación de la SCAN y se socializó con el POE su alcance,
así como la obligación que tienen que cumplir con en el
manejo y registro de la documentación aprobada.
Con la implementación del programa de protección
radiológica en las áreas de estudio se solucionó los problemas
en el cumplimiento legal y se obtuvo la licencia de
funcionamiento para el Laboratorio de Ensayo de Materiales y
Mecánica de Suelos y Rocas de la Escuela Politécnica
Nacional puesto que cumplió todos los parámetros de
inspección que exige el ente de control a nivel nacional que es
la SCAN.
El Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X de la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria,
fue inspeccionado por la SCAN y tramitó la emisión de su
licencia de funcionamiento.
4. CONCLUSIONES
El Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X de la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria
/ Departamento de Metalurgia Extractiva (DEMEX), ha
realizado cambios en el equipo emisor de radiación ionizante,
cuyo permiso de funcionamiento se encuentra en trámite y el
equipo obsoleto cuenta con la autorización para ser utilizado
en clases demostrativas.
Tres de cuatro de las áreas de estudio tienen como problema
común que no poseen licencias de funcionamiento y seis de
nueve POEs, no cuentan con la licencia personal.
57
Vásquez, Sandra; Villacis, William
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Dentro de los problemas comunes encontrados en las áreas de
estudio, la mayor frecuencia de ocurrencia, está en que de los
9 POEs de las áreas de estudio, 4 no cuentan con dosímetro
personal, y el menor problema es que en los Laboratorios de
Ensayos no Destructivos y de Ensayo de Materiales y
Mecánica de Suelos y Rocas requieren un manual de
procedimientos tanto en operaciones normales como en caso
de emergencias radiológicas.
El Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X, de la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria
/ Departamento de Metalurgia Extractiva (DEMEX), tiene un
rango de radiación ionizante ambiental de 0,0001 a 0,0004
μSv/h, por lo que el POE de éste laboratorio no requiere
dosímetro personal sino dosímetro ambiental, por ser valores
bajos que requieren un dosímetro con mayor sensibilidad que
detecte valores bajos y altos en casos de fugas.
El reporte de dosis del POE del Laboratorio de Ensayo de
Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas es variable entre
POEs del mismo servicio, debido a la variación en la cantidad
de servicios prestados por cada POE, es decir que el reparto de
trabajo no es equitativo.
El mayor valor promedio de radiación ionizante ambiental es
en el servicio de radiodiagnóstico odontológico, porque no
existen barreras de protección en el medio para el POE, esto
incumple el principio de ALARA que reduce las exposiciones
a un valor tan bajo como sea razonablemente alcanzable, lo
que supone la reducción de los riesgos a valores aceptables.
El diagrama de Pareto, permitió priorizar los problemas
comunes encontrados en las áreas de estudio, solucionar el
80% de los problemas detectados como señalizar, así como
que las áreas de estudio cuenten con la documentación
requerida, es importante señalar que el 20% corresponde a
obtener la licencia de funcionamiento, la misma que una vez
que se han cumplido con todos los requerimientos legales
correspondientes a ese 80% es verificado en una inspección
del área por la autoridad competente y emitida la licencia de
funcionamiento.
El manual de procedimientos en operaciones normales y en
casos de emergencias radiológicas del Laboratorio de Ensayo
de Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas, obtuvo la
aprobación de la SCAN y se socializó con el POE su alcance,
así como la obligación que tienen de cumplir con la
documentación aprobada.
Con la implementación del programa de protección
radiológica en las áreas de estudio se solucionó los problemas
en el cumplimiento legal y se obtuvo las licencias de
funcionamiento para el Laboratorio de Ensayo de Materiales y
Mecánica de Suelos y Rocas, así como para el Servicio de
Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica
Nacional.
El Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de
Rayos X de la Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria,
fue inspeccionado por la SCAN y tramitó la emisión de su
licencia de funcionamiento.
AGRADECIMIENTO
Los autores agradecen el auspicio de la Escuela Politécnica
Nacional y el Departamento de Ciencias Nucleares por el
financiamiento económico y facilidades prestadas para la
ejecución del proyecto interno PII-DCN-001-2015:
“Implementación de un Programa de Protección Radiológica
en el Laboratorio de Ensayos No Destructivos, Laboratorio de
Ensayo de Materiales y Mecánica de Suelos y Rocas,
Laboratorio de Análisis Mineralógico y Difracción de Rayos
X y en el Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la
Escuela Politécnica Nacional”.
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radiaciones ionizantes. Obtenido de: https://www.riojasalud.es/rrhh-files/rrhh/manual-de-recomendaciones-frente-a-radiaciones-ionizantes-
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58
Implementación de un Programa de Protección Radiológica en laboratorios que utilizan equipos y fuentes emisoras de radiación ionizante y en el
Servicio de Radiodiagnóstico Odontológico de la Escuela Politécnica Nacional
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
BIOGRAFÍAS
Sandra Vásquez G. Ingeniera
Química por la Universidad Central
del Ecuador, Diplomado Superior
en Implantación y Gestión de la
Calidad con Normas ISO por la
Pontificia Universidad Católica del
Ecuador, Magíster en Ingeniería
Ambiental, Magíster en Gerencia
Empresarial, Magíster en Seguridad
Industrial y Salud Ocupacional por
la Escuela Politécnica Nacional. Tiene experiencia en el área
de Gestión de Calidad, Salud, Seguridad y Ambiente. Se
desempeña como Especialista en el control del cumplimiento
ambiental y de seguridad industrial en las empresas eléctricas
de distribución eléctrica del país.
William Villacis. Especialista en
Protección Radiológica y
Seguridad de las Fuentes de
Radiación por la Universidad de
Buenos Aires (2017). Magíster en
Seguridad Industrial y Salud
Ocupacional por la Escuela
Politécnica Nacional (2013).
Ingeniero Químico por la Escuela
Politécnica Nacional (2004). Se
desempeña como docente
universitario en las áreas de Seguridad en el Trabajo y
Fundamentos de Prevención de Riesgos Laborales para
posgrado y Seguridad Industrial y Tratamiento de Desechos
Sólidos para ingeniería. En la actualidad trabaja como docente,
Oficial de Protección Radiológica, Segundo Vocal del Comité
de Seguridad e Higiene del Trabajo por parte del empleador en
la Escuela Politécnica Nacional.
59
60
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares Primarios en el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Recibido: 17/07/2018
Aceptado: 25/03/2019
Publicado: 30/04/2019
11. INTRODUCCIÓN
El crecimiento de zonas urbanas y rurales, así como el
desarrollo industrial e infraestructura pública y privada en el
sector del valle de Latacunga, provincia de Cotopaxi, presenta
relación directa frente a la vulnerabilidad asociada a los flujos
de lahar generados durante una posible erupción del volcán
Cotopaxi. Luego de un período relativamente largo de
inactividad, más de 140 años desde la última erupción
representativa (Sodiro, 1877; Wolf, 1878), durante el último
trimestre del año 2015 e inicios de 2016 se registró un nuevo
periodo de reactivación de la actividad volcánica (IG-EPN,
2015). Ante este proceso natural que podría afectar
negativamente extensas zonas ubicadas en sectores próximos
a los cauces naturales de drenaje del flujo de lahar, se requiere
información técnica actualizada relacionada con la ocurrencia
de este fenómeno para contribuir al estudio y problemática
particular que representa el flujo de lahares primarios producto
de erupciones volcánicas en volcanes nevados.
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares
Primarios en el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
Vera, Pablo1; Ortega, Patricio1; Casa, Edwin1; Santamaría, Jorge1; Hidalgo, Ximena1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Civil, Centro de Investigaciones y Estudios en Recursos Hídricos
CIERHI, Quito, Ecuador
Resumen: Los lahares primarios originados durante erupciones de volcanes nevados, como el volcán Cotopaxi, son
el resultado de la combinación de mecanismos físicos relacionados con el fenómeno eruptivo como la expulsión de
ceniza, material piroclástico y flujos de lava incandescente que provocan el derretimiento súbito de una porción del
glaciar. Afectan directamente asentamientos humanos e infraestructura desarrollada a lo largo de los cauces de los
ríos y llanuras que corresponden a los drenajes naturales por donde transitan los lahares. El periodo de recurrencia
eruptiva del volcán es relativamente amplio considerando la más reciente erupción significativa que ha sido registrada
en junio de 1877. La investigación se enfoca en la modelación numérica unidimensional para flujo no permanente
realizada en el programa libre HEC-RAS, considerando información geológica, glaciológica, vulcanológica y
cartográfica actual, generada y recopilada en campo durante los últimos años. Estos datos han sido analizados y
considerados para la definición de los parámetros iniciales que corresponden a volúmenes e hidrogramas. El modelo
numérico calibrado en base al evento histórico de 1877, constituye la base para la simulación de los escenarios
probables de ocurrencia. Los resultados obtenidos permiten la generación de mapas de afectación referenciales que
constituyen un aporte técnico y práctico, ya que pueden ser utilizados para tomar decisiones acerca de la definición
de zonas de afectación, sitios seguros, planificación territorial, planes de concientización, recuperación y mitigación
ante procesos eruptivos futuros del volcán Cotopaxi que afecten de manera particular el valle de Latacunga.
Palabras clave: Modelación Numérica, Lahares, Mapas, Cotopaxi.
Numerical Model and Maps by Primary Lahars in Southern
Drainage of Cotopaxi Volcano
Abstract: Primary lahar flows are originated during eruptions of ice-capped volcanoes, such as the Cotopaxi volcano,
as the result of the combination of physical mechanisms related to eruptive phenomenon such as the expulsion and
fall of ash, pyroclastic material and incandescent lava flows that can cause sudden melting of a portion of the glacier.
Lahars have a direct incidence on human settlements including infrastructure built along the rivers and plains that
correspond to the natural drainages through which the laharic flows pass. Cotopaxi eruption recurrence is relatively
long given that the last significant event was recorded in June 1877. The overall purpose of the study is to present the
one-dimensional numerical simulation results for non-permanent flow employing the open-source software HEC-
RAS. The boundary conditions as DEM, melt volumes, hydrographs among others was the result of up-to-date
geological, glaciological, volcanological and cartographic information, generated and compiled during the last years.
The calibrated model based on 1877 historical event is the cornerstone for the numerical modelling of the probable
scenarios. The obtained results allow the generation of referential maps which are a practical contribution since they
can be used to make decisions regarding the affected areas, safe sites, territorial planning, awareness, recovery and
mitigation plans in the presence of the Cotopaxi eruption with particular incidence in Latacunga Valley.
Keywords: Numerical Modeling, Lahars, Maps, Cotopaxi.
61
Vera, Pablo; Ortega, Patricio; Casa, Edwin; Santamaría, Jorge; Hidalgo, Ximena
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Para alcanzar este objetivo, se hace evidente la necesidad de
llevar a cabo actividades concernientes a la recopilación y
levantamiento de información de campo correspondiente
principalmente a vestigios o evidencias físicas asociadas al
evento eruptivo ocurrido en junio de 1877. Las actividades
técnicas desarrolladas en las últimas décadas por el Instituto
Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IG-EPN), en
varias campañas han permitido disponer de registros de campo
sobre la caracterización geológica de los vestigios del evento
eruptivo del año 1877 en varias secciones transversales
representativas de la zona de estudio. Además, con base en el
análisis de las muestras recuperadas, se ha caracterizado el tipo
de lahar y su composición (Mothes et al., 2004; Mothes, 2006;
Hall et al., 2008).
El avance tecnológico en relación a la generación de modelos
digitales de terreno (MDT), que en el caso de esta
investigación alcanza una resolución espacial de 3.0 metros
por pixel, permite la representación adecuada de la topografía
en el área de estudio. Esta información es utilizada para la
modelación numérica del flujo de lahar empleando un paquete
computacional de código libre para el análisis de flujo
permanente y no permanente (no estacionario) que resuelve las
ecuaciones de Saint Venant presentadas en forma de derivadas
parciales en una dimensión, en la dirección del flujo de un
volumen de control considerando los principios de
conservación de masa y cantidad de movimiento (Vera, 2017).
El análisis numérico del flujo de lahares del volcán Cotopaxi
ha sido ampliamente estudiado desde hace varias décadas
tomando como referencia al evento eruptivo histórico del año
1877, considerando en ciertos casos, modelos numéricos
sencillos asumiendo flujos homogéneos con volumen
constante (Barberi et al., 1992). En lo reportado por Castro et
al., 1992; Espín, 1993 y Sánchez, 1993, la modelación
numérica de lahares del Cotopaxi se realizó con programas
computacionales como el HEC-1, LAHAR-1 y DAMBRK
(Costa, 1977) respectivamente. Se ha investigado los lahares y
su impacto sobre ciudades como Latacunga con el programa
TITAN2D (Williams, 2006). Según lo reportado por Lima,
2007, se realiza la simulación del flujo lahárico no permanente
utilizando programas como el FLDWAV y HEC-RAS. En los
estudios desarrollados por Samaniego, 2004; Pistolesi, 2014,
se estudia los flujos de lahar mediante el uso del software
LAHARZ (Iverson et al., 1998).
En varios casos, las condiciones iniciales de las simulaciones
consideran la evidencia histórica geológica encontrada en los
trabajos de campo como base de la modelación numérica e
información topográfica correspondiente a modelos digitales
de terreno para la representación del área de estudio.
2. EL VOLCÁN COTOPAXI
Es un estratovolcán ubicado en la cordillera Oriental o Real de
los Andes Ecuatorianos, a 60 km al Sureste de Quito, su cráter
se eleva hasta los 5 897 m.s.n.m. El cono del volcán se
encuentra cubierto por un casquete glaciar que desciende
desde la cima por todos los flancos del mismo.
La aparente uniformidad de su topografía se interrumpe ante
la presencia de varias quebradas profundas, que constituyen el
inicio o nacimiento de los cauces principales y ríos, los mismos
que fluyen aguas abajo atravesando el valle de Latacunga en
el drenaje Sur-Occidental, el valle de los Chillos hacia el Norte
y además hacia el drenaje Oriental.
Desde mediados del mes de abril del año 2015, el IG-EPN
reportó un incremento en la actividad eruptiva del volcán,
alcanzándose un total de 300 sismos volcánicos y varias
emisiones de dióxido de azufre (SO2) que precedieron a
explosiones hidromagmáticas (Gaunt et al., 2016). La
actividad superficial caracterizada por emisión de gas y ceniza
continuó durante meses, registrándose un volumen de 860 mil
metros cúbicos de ceniza (Bernard et al., 2016). Las
características de este periodo eruptivo han permitido
identificar a este evento con el Índice de Explosividad
Volcánica VEI igual a 1 (VEI; Newhall & Self, 1982).
Según lo reportado por Jordan (1983), el área total del casquete
glaciar cubría 21.3 km2 en el año 1976. Esta cobertura glaciar
ha sufrido una reducción notable que continúa a través de los
años, alcanzando valores totales de hasta 12.7 km2 en el año
2006 y aproximadamente 10.5 km2 para el año 2016 (Cáceres,
2016). Por analogía con la erupción del año 1995 del Nevado
del Ruiz se estima una disminución en el espesor del glaciar
de alrededor de 4 metros. Dado que el agua se libera de forma
súbita el hidrograma tipo de estos flujos tendría una forma
triangular, con un caudal dominante y una atenuación lenta con
hidrogramas de iguales características a los utilizados para
modelar los eventos laháricos de las erupciones del Mount. St.
Helens y del Nevado del Ruiz (Pierson et al., 1990; Thouret,
1990) respectivamente.
Samaniego (2004) y Andrade et al. (2005) definieron
escenarios eruptivos ante una posible erupción del volcán
Cotopaxi en base a criterios como: Dinamismo eruptivo (tipos
de erupciones que podrían ocurrir en el volcán), magnitud de
las erupciones (establecida por trabajos de campo y
distribución de los productos volcánicos), comportamiento de
otros volcanes andesíticos (Tungurahua, Reventador y
Sangay), grado de interacción entre los productos volcánicos
y el glaciar (función de los dinamismos eruptivos), tamaño y
porcentaje de fusión del glaciar.
En base a las características eruptivas de cada uno de los ciclos
de actividad categorizados según el Índice de Explosividad
Volcánica (VEI; Newhall & Self, 1982), se ha establecido,
para el volcán Cotopaxi, cuatro escenarios que permiten
determinar la probabilidad de ocurrencia de una erupción
volcánica. Considerando aspectos como el índice de
explosividad volcánica VEI, el tipo de actividad y los
fenómenos eruptivos como la caída de ceniza, flujos
piroclásticos, fragmentos balísticos y lavas, se determinan los
siguientes escenarios eruptivos: Pequeño (Escenario 1: VEI 1-
2), Moderado (Escenario 2: VEI 2-3), Grande (Escenario 3:
VEI 3-4) y Muy grande (Escenario 4: VEI >4).
En los últimos 2000 años se han registrado al menos 19
eventos eruptivos importantes, el más reciente se ha
catalogado con VEI igual a 1, se registra otros 6 eventos
eruptivos con un VEI de 3 (se incluye un evento con un VEI
de 2-3), adicionalmente se consideran 10 eventos con un VEI
de 4 (se incluye un evento con un VEI de 3-4), y finalmente
hay 2 eventos eruptivos con un VEI > 4 (Samaniego, 2004).
62
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares Primarios en el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
La secuencia cronológica presentada en la Tabla 1 permite
plantear que el escenario con mayor probabilidad de
ocurrencia es el Escenario No. 3, el cual está asociado a una
erupción similar a la ocurrida en el año 1877 (VEI 3-4)
asignándole un 58% de probabilidad. Según Samaniego
(2004), luego de un ciclo de reposo relativamente extenso
como el actual (más de 140 años), existe la posibilidad de que
la actividad del volcán continúe y desencadene una erupción
importante (VEI ≥3). Para los eventos mayores (Escenario 4:
VEI >4) la probabilidad de ocurrencia alcanza el 10.5 %,
mientras que los eventos menores (Escenario 2: VEI 2-3)
presentan una probabilidad del 26.31%. La probabilidad de
que un evento eruptivo produzca únicamente un flujo de lava
es relativamente baja (2 erupciones en los últimos 2000 años,
con probabilidad de 10.52%).
Tabla 1. Síntesis de la actividad volcánica del Cotopaxi en los últimos 2000
años. Samaniego (2004)
Edad Emisiones de
ceniza
Flujo
piroclástico Lahares
Flujo de
lava VEI
2015 DC x secundario 1
1880 DC x 2-3
1877 DC x x 2 4
1854 DC x x 1 1 3
1853 DC x 1 1 3
1768 DC x x 1 1 4
1766 DC x x 1 3
1744 DC x x 2 4
1742 DC x x 3 4
1532-34 DC x x 2 1 4
~ 1150 DC x x 2 4
~1000 DC x x 3
950 DC x x 2 >4
850 DC x x 1 3-4
750 DC x x 2 4
~180 DC x x 1 varios 4
~ 150 DC x x 2 1 >4
~ 100 DC x varios 4
50 AC x x 4
3. LA RED DE DRENAJE SUR
El entorno natural del área estudiada corresponde al drenaje
Sur-Occidental que inicia en las faldas del volcán, donde el
sistema de quebradas transporta, desde las once (11) lenguas
de glaciar, los flujos de lahares hasta cauces más amplios y
menos profundos (valle de Latacunga) con una longitud de 30
km que conforman el río Cutuchi, el cual atraviesa la ciudad y
continua hacia el Sur donde presenta una morfología de cauce
encañonado y profundo.
La red hidrográfica primaria del flanco Sur-Occidental está
compuesta por los ríos Cutuchi, Saquimala y Aláquez. Estos
cauces de drenaje natural fluyen desde la base del volcán y
continúan por una llanura extensa de baja pendiente hacia el
Sur y el Occidente. En el caso particular del río Pumacunchi,
que pertenece a la cordillera Occidental, se observa que al
desarrollarse en forma paralela y cercana al cauce del río
Cutuchi puede ser afectado en el caso del desborde del lahar.
Se consideran cuatro tramos iniciales para representar la
morfología alta o superior de la zona estudiada, cuyos nombres
son: Cutuchi, San Lorenzo, Pucahuaicu y Aláquez. Conforme
se desarrollan hacia el Sur-Occidente forman los tramos
intermedios del río Cutuchi y Saquimala, que al unirse con el
río Aláquez, conforman el tramo final del río Cutuchi. Las
pendientes longitudinales representativas de los tramos
considerados varían entre 1 y 10% y las longitudes de los
cauces alcanzan valores desde 9 hasta 42 km.
La distribución radial del glaciar del Cotopaxi reportada por
Cáceres (2016), referente a las áreas de aporte del drenaje Sur,
permite identificar las lenguas glaciares, que se han
denominado y numerado de acuerdo a lo siguiente: Tambo (9),
Churrumihurco (10), Simarrones (11), El Picacho (12),
Saquimala (13), San Lorenzo (14), Capuli-Huaicu (15),
Pucahuaicu Oeste (16), Chanchunga Sur (17), Chanchunga
Norte (18) y Yanasacha (19).
Figura 1. Distribución de glaciares del drenaje Sur-Occidental (áreas de
color verde 9-19) del volcán Cotopaxi. Cáceres (2016)
En la Tabla 2 se presentan las áreas glaciares de drenaje entre
los años 1977 y 2016 (Cáceres 2017), correspondientes a la
zona Sur-Occidental. Los resultados obtenidos muestran la
notable reducción de aproximadamente el 50% en la superficie
glaciar, comparando las áreas totales de los años 1977 y 2016.
Tabla 2. Evolución de áreas glaciares del flanco Sur-Occidental entre los
años 1977 y 2016. Cáceres (2017)
# Glaciar Área 1977
(m2)
Área 2016
(m2)
9 Tambo 893 101 1´183 565
10 Churrumihurco 1´348 900 894 343 11 Simarrones 1´585 600 362 736
12 El Picacho 1´403 500 275 678
13 Saquimala 1´177 174 402 897 14 San Lorenzo 1´192 300 137 166
15 Capuli-Huaicu 776 100 180 454
16 Pucahuaicu Oeste 426 872 62 377 17 Chanchunga Sur 382 600 325 413
18 Chanchunga Norte 712 300 239 722
19 Yanasacha 957 400 398 034 Área Total 10´855 847 4´462 385
63
Vera, Pablo; Ortega, Patricio; Casa, Edwin; Santamaría, Jorge; Hidalgo, Ximena
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
Cabe señalar que en la etapa de calibración del modelo
numérico se utiliza la información correspondiente al área del
glaciar del año 1977, puesto que constituye la mejor
aproximación al evento del año 1877 (VEI 3-4) debido a su
elevada probabilidad de ocurrencia. Para la modelación
numérica de los escenarios eruptivos actuales se emplea las
áreas de glaciar en las condiciones actuales, las mismas que
como se ha determinado, son relativamente menores a las del
escenario de calibración (evento eruptivo histórico).
4. ANÁLISIS TEÓRICO / METODOLOGÍA
4.1 Breve caracterización reológica de lahares
Un lahar se define como una mezcla de sólidos y agua que
fluye rápidamente por efecto de la gravedad. Está compuesto
por bloques de roca, escombros, sedimentos y agua. Sus
características pueden variar conforme transcurre el tiempo y
la distancia que recorre hacia aguas abajo desde el inicio del
evento en el pie del volcán. Entre los tipos de flujo que se
presentan tenemos a los flujos de escombros, transicionales,
hiperconcentrados y las inundaciones (Vera, 2017).
Figura 2. Depósito de lahar primario en el río Aláquez.
Evento eruptivo del año 1877. Vera (2017)
Los factores que caracterizan un flujo lahárico son: ocurrencia
repentina relacionada con el tipo de erupción, elevada tasa de
avance que depende de las pendientes y la topografía, gran
capacidad de transporte de sólidos que se van incorporando
durante su recorrido, desarrollo en grandes distancias a lo largo
de los cauces naturales y zonas inundables que generalmente
albergan a poblaciones e infraestructura.
Los flujos de lahares alcanzan caudales máximos en tiempos
relativamente cortos, erosionan cauces e incorporan material
sedimentario que corresponde a depósitos de lahar existentes
sobre el terreno originados por eventos anteriores. El volumen
de agua presente en el lahar genera cantidades de material que
pueden superar la capacidad hidráulica de los drenajes y
provocan inundaciones y desbordamientos en zonas planas.
Según Coussot y Meunier (1995) los tipos de flujo se clasifican
de manera conceptual y cualitativa en función del porcentaje
de sólidos que componen la mezcla, la interacción de las
partículas (cohesivas, no cohesivas, granulares, finos, etc.) y la
fracción de sólidos (cuyo valor se incrementa desde agua a
flujos con transporte de sólidos, flujos hiperconcentrados,
flujos de escombros y avalanchas).
En la Figura 3 se presenta una clasificación en función de la
fracción de sólidos y el tipo de material, de acuerdo a este
esquema se puede clasificar a los lahares como una mezcla
bifásica con movimiento rápido, que se encuentra entre los
flujos de escombros (desperdicios) e hiperconcentrados.
Figura 3. Clasificación de las mezclas de agua y sólido como función de la
fracción de sólidos y el tipo de material. Coussot y Meunier (1995)
Estudios realizados en el drenaje Sur del volcán Cotopaxi
permiten determinar las características físicas de los flujos de
lahar de esta zona. Según Mothes et al. (2004), estos presentan
características de flujos no cohesivos e hiperconcentrados con
distribución casi uniforme de los granos que conforman la
matriz del flujo. Esto se ratifica en estudios más recientes
(CIERHI, 2017) que analizan la distribución del tamaño del
grano en función del porcentaje acumulado de la muestra
donde se observa un comportamiento como flujo granular y no
cohesivo al clasificarlo en función del tamaño medio del grano
y el sorteo representado como la variación de la muestra en
relación a su valor promedio en cada sección.
Figura 4. Comparación de caudales unitarios obtenidos para diferentes profundidades con flujos de escombros granulares. Takahashi (1991)
En la investigación experimental realizada por Takahashi
(1991) se plantea que el comportamiento, tanto de un flujo
dilatante (lahar) como de uno turbulento, tiende a ser similar
conforme aumenta el valor de caudal unitario en relación al
incremento de la profundidad de flujo. Esta observación
~ 7
me
tro
s
64
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares Primarios en el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
permite plantear métodos de solución numérica de flujos
laháricos como flujos Newtonianos, puesto que generalmente
se consideran calados y caudales unitarios elevados.
4.2 Coeficientes de rugosidad (resistencia al movimiento)
Los coeficientes de rugosidad o “n” de Manning están
relacionados con la resistencia al movimiento como
características del cauce que generalmente están asociadas a la
rugosidad superficial, presencia de vegetación, la forma y
alineación del cauce.
La ecuación de Manning (Ganguillet y Kutter, 1889) involucra
el término del coeficiente de rugosidad (n), el mismo que
según lo reportado por Chow (1994) se expresa como:
𝑉 =1
𝑛 𝑅2/3 𝑆1/2 (1)
Donde V es la velocidad media en (m/s), 𝑛 el coeficiente de
rugosidad o “n” de Manning, 𝑅 es el radio hidráulico en (m) y
𝑆 es la pendiente de la línea de energía (m/m).
Para Costa (1997), los flujos ricos en sedimentos o
hiperconcentrados, pueden ser modelados utilizando
coeficientes de resistencia al movimiento correspondientes a
flujos dilatantes, sin embargo, requieren de una etapa de
calibración que permita un análisis entre los resultados
alcanzados y los datos de campo que generalmente están
constituidos por vestigios de eventos pasados.
4.3 Modelación numérica unidimensional
La modelación numérica unidimensional se basa en la solución
de las ecuaciones que describen el comportamiento de un flujo
y cuyas características más relevantes son el caudal, velocidad,
calado, resistencia al movimiento, entre otras. El modelo
considerado para la simulación numérica se utiliza para las
etapas de calibración y modelación unidimensional definitiva
para flujos permanentes y no permanentes.
El modelo numérico unidimensional utilizado es HEC-RAS
5.0.3 de la U.S. Army Corps of Engineers, permite simular
flujo uniforme gradualmente variado mediante la solución de
la ecuación de la energía, donde las pérdidas se evalúan por
fricción con la ecuación de Manning y tanto la expansión como
la contracción en función de coeficientes multiplicados por las
cargas de velocidad.
La ecuación de impulso o cantidad de movimiento es utilizada
cuando el perfil de flujo es rápidamente variado. Las
ecuaciones de continuidad y conservación de la cantidad de
movimiento para flujos unidimensionales en canales abiertos
se pueden expresar como se plantea a continuación (HEC-
RAS, 2016):
Ecuación de Continuidad:
𝑑𝐴
𝑑𝑡+
𝑑𝑄
𝑑𝑥− 𝑞𝑙 = 0 (2)
Ecuación de Cantidad de movimiento:
𝜕𝑄
𝜕𝑡+
𝜕𝑄 𝑉
𝜕𝑥+ 𝑔𝐴 (
𝜕𝑧
𝜕𝑥+ 𝑆𝑓) = 0 (3)
Donde 𝐴 es la sección transversal, 𝑡 es el tiempo, 𝑄 es el
caudal, 𝑥 representa la distancia a lo largo del canal, 𝑞𝑙 es el
caudal lateral por unidad de longitud, 𝑉 representa la
velocidad, 𝑔 es la aceleración de la gravedad, 𝑧 representa el
nivel de referencia del canal, 𝑆𝑓 es la pendiente de fricción.
La simulación numérica para flujo no permanente requiere la
solución de las ecuaciones de Saint Venant. La necesidad de
encontrar la solución a estas ecuaciones hizo que se desarrollen
métodos simplificados que al despreciar algunas de las
variables hidrodinámicas menos preponderantes permiten
encontrar la solución numérica. Entre los métodos de
resolución se encuentran los métodos hidrológicos, de onda
cinemática, onda difusiva, onda dinámica cuasi-permanente.
En general los métodos de resolución simplificados se utilizan
para modelación hidrológica, ya que las limitaciones en cuanto
a capacidad y velocidad de los procesadores actualmente
permiten obtener resultados con un gasto computacional
reducido y en tiempos relativamente cortos.
El programa HEC-RAS 5.0.3, emplea un método que no
considera la viscosidad artificial y se denomina “Local Partial
Inertia (LPI)”. Este método consiste en añadir un término a las
ecuaciones para reducir los términos de inercia cuando el
número de Froude se acerca a la unidad, donde se producirá
invariablemente un cambio de régimen en el flujo y se genere
una posible discontinuidad. En el método LPI se incluye el
factor “Exponent for Froude number reduction factor”
conocido como factor “m”. Cuando este valor es igual a la
unidad se consigue resultados estables. Un factor de
ponderación que se aplica a las ecuaciones en diferencias
finitas usadas en el cálculo del régimen variable es el “Theta
Weighting Factor”, cuando este valor es cercano a 1.0, se
alcanza mayor estabilidad, sin embargo, valores alrededor de
0.6 permitirán disponer de resultados más precisos al realizar
la simulación numérica (Hamad, 2008).
Existen varios factores que intervienen en la estabilidad del
modelo numérico entre los que se destacan los siguientes:
La distancia entre secciones transversales, puesto que a
menor distancia entre ellas se alcanza mayor estabilidad
con una mayor demanda del tiempo de cálculo.
El intervalo de cálculo (time-step), produciéndose mayor
estabilidad numérica a medida que este valor es pequeño
a cambio de un elevado tiempo de simulación.
La simulación previa en régimen permanente es una
aproximación a la solución final que permite alcanzar
estabilidad en el modelo con para flujo no permanente.
4.4 Definición de hidrogramas de crecida
Según Samaniego (2004), dada la duración del evento
eruptivo, el hidrograma típico o característico para un lahar
inducido por un flujo de lava tendría un inicio lento y
65
Vera, Pablo; Ortega, Patricio; Casa, Edwin; Santamaría, Jorge; Hidalgo, Ximena
Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
probablemente varios pulsos. La erupción volcánica del
Cotopaxi ocurrida en el año 1877 fue del tipo explosiva
(Mothes, 2004), lo cual conduce a plantear que el volumen de
agua sería liberado de forma súbita.
Se plantea que el hidrograma de inicio presenta una forma
triangular desfasada, con un pico o valor máximo de crecida y
atenuación lenta de manera análoga a los hidrogramas
propuestos para el Mount Saint Helens (Brugman & Meier,
1981) y Nevado del Ruíz (Pierson et al., 1990). Se reporta que
el evento eruptivo tendría una duración total de 30 minutos
(Wolf, 1878), el cual es considerado en la definición de las
condiciones iniciales de contorno del modelo numérico.
De esta manera se plantea en la presente investigación que el
pico de crecida ocurra en el primer tercio de la duración total
del evento, es decir a los 10 minutos del inicio. Se considera
que el volumen del agua es función directa del área o superficie
del glaciar multiplicada por el espesor o altura de
derretimiento, la cual no es generalizada y varía en función del
escenario estudiado (CIERHI, 2017).
Considerando que el agua en estado sólido tiende a variar su
volumen, se estima un factor de conversión de 0,9 al cambiar
al estado líquido. Además, según la reología del lahar se
plantea que la mezcla se componga de un tercio de agua y dos
tercios de material sólido (volumen de lahar producido será
tres veces mayor al volumen de agua). Para el escenario de
calibración del flanco Sur del volcán, de los 10 millones de
metros cuadrados (m2) de glaciar correspondientes a un
volumen total de 40 millones de metros cúbicos (m3),
alrededor de 36 millones de m3 constituyen el volumen de agua
y 108 millones de m3 representan el volumen de lahar. Al
relacionar los volúmenes de lahar con sus correspondientes
hidrogramas se obtienen los caudales para cada uno de los
cuatros tramos o cauces iniciales de la red de drenaje Sur.
Tabla 3. Caudales máximos para la calibración del modelo numérico
Tramo Longitud
(km)
Pendiente
(m/m)
Caudal máximo
(m3/s)
Cutuchi 1 14,4 0,02 39 063 San Lorenzo 1 8,4 0,01 28 433
Pucahuaicu 1 8,2 0,07 16 842 Aláquez 1 27,1 0,04 35 214
Total 119 552
4.5 Calibración del modelo numérico unidimensional
Con base en los vestigios de campo del evento eruptivo
histórico de junio de 1877, el cual tiene características
similares a un escenario eruptivo tipo 3 (VEI 3-4), se obtiene
información acerca de las profundidades de flujo. Estos
niveles del flujo son generados mediante la simulación
numérica unidimensional empleando la base topográfica
digital (Modelo Digital del Terreno MDT) con pixel de tres
metros que representa la morfología de la zona de estudio.
En principio se analizan 40 secciones que sirven
posteriormente para la calibración de otras 163 secciones
transversales aledañas. La distribución espacial en el área de
estudio de las secciones transversales utilizadas en la
calibración del modelo se muestra en la Figura 5.
Con la modelación numérica del escenario de Calibración, se
obtiene los coeficientes de rugosidad (n de Manning) que
permiten alcanzar los niveles de flujo obtenidos en el campo.
Figura 5. Secciones transversales para la Calibración del modelo numérico
A partir de la simulación numérica de los cauces iniciales se
generan hidrogramas de crecida en los tramos intermedios y
final del río Cutuchi. De esta manera se representan las
características físicas del evento histórico en toda el área de
estudio y se obtienen los coeficientes de resistencia al
movimiento que se resumen en la Tabla 4.
Tabla 4. Coeficientes de rugosidad del modelo numérico calibrado
Tramo n de Manning
Cutuchi 1 0,083 – 0,159
San Lorenzo 1 0,077 – 0,135 Pucahuaicu 1 0,108
Aláquez 1 0,031 – 0,082
Saquimala 1 0,083 Cutuchi 2 0,044 – 0,098
Cutuchi 3 0,025 – 0,148
5. RESULTADOS DE LA MODELACIÓN NUMÉRICA
Con el análisis de flujo permanente se determina la
profundidad y velocidad de flujo, considerando el caudal total
en cada tramo. Para el análisis de flujo no permanente (t0)
se requiere el uso de hidrogramas de crecida, considerando la
variable temporal para obtener resultados orientados a la
determinación aproximada y referencial del tiempo de llegada
del flujo a una determinada sección.
66
Modelación Numérica y Mapas de Afectación por Flujo de Lahares Primarios en el Drenaje Sur del Volcán Cotopaxi
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De acuerdo a lo mencionado en este documento, se cuenta con
cuatro escenarios eruptivos que presentan una probabilidad de
ocurrencia determinada que está asociada al Índice de
explosividad volcánica (VEI).
Para la determinación de los volúmenes de lahar, se requiere
conocer las áreas de glaciar y los espesores de derretimiento
promedio en cada caso, los mismos que pueden alcanzar hasta
10 metros de profundidad para el escenario 4 (VEI >4) como
se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5. Volúmenes de lahar en millones de m3 por escenario eruptivo
Escenario VEI Espesor
(m)
Volumen Agua
(millones de m3)
Volumen Lahar
(millones de m3)
E1 1 – 2 1 4 12
E2 2 – 3 2 8 24
E3 3 – 4 5 20 60
E4 > 4 10 40 120
Al relacionar los volúmenes de lahar con los tiempos de
duración del evento eruptivo se determinan los hidrogramas de
crecida y a partir de estos se obtienen los caudales pico o
máximos que se alcanzan en el minuto 10 (primer tercio de la
duración total) para cada uno de los tramos iniciales.
Tabla 6. Distribución de caudales en (m3/s) por tramo inicial de simulación
Esc. Cutuchi S. Lorenzo Pucahuaicu Aláquez Total
E1 4 029 3 124 2 683 3 551 13 387
E2 8 059 6 248 5 366 7 101 26 774
E3 20 147 15 620 13 415 17 754 66 936 E4 40 295 31 239 26 830 35 507 133 872
Los hidrogramas de crecida que se van generando a partir del
análisis de flujo no permanente alcanzan valores máximos en
tiempos no necesariamente simultáneos pues el modelo
numérico considera variables como la longitud, pendiente del
cauce, geometría de las secciones transversales y coeficientes
de resistencia al movimiento. Se obtienen los mayores
resultados de profundidad en los tramos encañonados, como el
Aláquez 1, con valores de hasta 40 metros. Sin embargo se
observa la reducción de estos valores en las zonas planas o de
inundación, como en el tramo Cutuchi 2, en el cual se registran
profundidades en el cauce de hasta 8 metros de profundidad.
Para el escenario más probable (E3), las velocidades máximas
promedio alcanzan valores de hasta 28 m/s. En la Tabla 7 se
reporta los tiempos referenciales correspondientes a la entrada
y salida respectivamente, de los tramos de análisis del modelo
numérico unidimensional para flujo no permanente.
Tabla 7. Tiempos de llegada en minutos de los caudales máximos
Tramo E1 E2 E3 E4
Ent. Sal. Ent. Sal. Ent. Sal. Ent. Sal.
Cutuchi 1 10 86 10 83 10 71 10 57
San Lorenzo 1
10 31 10 27 10 24 10 21
Pucahuaicu
1
10 26 10 25 10 22 10 21
Aláquez 1 10 81 10 66 10 52 10 43
Saquimala 1 36 47 26 43 23 37 21 31
Cutuchi 2 47 65 43 62 37 55 31 48 Cutuchi 3 65 206 63 175 54 155 47 144
Los tiempos de ocurrencia (llegada) de los caudales máximos
(pico) en los hidrogramas a la entrada y salida de cada uno de
los tramos de simulación varían en función de cada escenario.
Con la modelación numérica se determinan resultados de entre
206 minutos (03:26 horas) y 144 minutos (02:24 horas)
correspondientes al tiempo en que el flujo de lahar alcanzaría
la salida del tramo Cutuchi 3 para los escenarios 1 y 4
respectivamente.
En la Tabla 8 se presenta los tiempos referenciales asociados
a caudales máximos de crecida en varios sitios representativos
donde se encuentran zonas pobladas de importancia dentro del
área de estudio.
Tabla 8. Tiempos de llegada en minutos de los caudales máximos a varias
poblaciones dentro del área de estudio
Población E1 E2 E3 E4
Aláquez 60 50 40 30
Latacunga 95 74 64 55
Salcedo 120 102 94 82
Los resultados obtenidos en relación a los tiempos de llegada
de los flujos de lahar a los sitios representativos de la zona
analizada, presentan una variación que guarda relación con la
distancia entre el volcán y el lugar de llegada, pero
fundamentalmente con el escenario eruptivo. Se observa que
conforme se incrementa el escenario eruptivo, la llegada del
flujo ocurre en menor tiempo. Para el escenario E3, de acuerdo
a lo reportado, se espera que el flujo de lahar alcance la ciudad
de Latacunga en aproximadamente 64 minutos.
5.1 Mapas de afectación por el tránsito de lahares primarios
En la Figura 6, se presenta en forma gráfica el área de
afectación generada para el escenario de mayor probabilidad
de ocurrencia (color celeste) y el Mapa de peligros Cotopaxi
Sur IG-EPN (color verde). La primera está en función del
modelo numérico para flujo no permanente en base a
hidrogramas de crecida de las condiciones actuales del glaciar,
mientras que la planteada por el IG-EPN (2016), corresponde
al levantamiento de vestigios de campo asociados al evento
eruptivo histórico del año 1877 con reconocimiento de los
depósitos de flujos piroclásticos y zonas de caída de ceniza.
Figura 6. Área de afectación (E3) y Mapa de peligros Cotopaxi Sur (2016)
67
Vera, Pablo; Ortega, Patricio; Casa, Edwin; Santamaría, Jorge; Hidalgo, Ximena
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Figura 7. Mapa de afectación por lahares primarios en el flanco Sur-Occidental del volcán Cotopaxi
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Con los resultados de la modelación numérica del flujo de
lahares primarios en el drenaje Sur-Occidental del volcán
Cotopaxi se elaboran Mapas de afectación considerando los
cuatro escenarios eruptivos probables.
En la Figura 7 se presentan las zonas de afectación probables
dentro del área estudiada que corresponden principalmente a
la ciudad de Latacunga, la cual se encuentra asentada en la
zona de expansión natural de tránsito del lahar. Cada uno de
los escenarios eruptivos analizados generan zonas de
afectación que, de manera general tienden a incrementarse
conforme aumenta el escenario analizado.
Es importante recalcar que los resultados obtenidos con la
modelación numérica permiten establecer zonas de afectación
que deben considerarse como aproximadas y si bien no
constituyen límites absolutos, son referenciales. Esto debido a
la naturaleza del fenómeno natural estudiado en cuanto a su
ocurrencia, magnitud, alcance y grado de amenaza.
6. CONCLUSIONES
La simulación numérica unidimensional de flujo permanente
y no permanente (variable), es analizada en tramos
independientes con la finalidad de alcanzar la convergencia y
estabilidad del modelo numérico, en ambos casos se han
determinado coeficientes de resistencia al movimiento
calibrados en base a los niveles de lahar obtenidos con el
trabajo de campo realizado por el IG-EPN relacionado con el
evento eruptivo ocurrido en el año 1877.
Los lahares primarios del volcán Cotopaxi tienen
características reológicas de flujo hiperconcentrado, granular,
no cohesivo similar al flujo dilatante que se puede considerar
como turbulento cuando se alcanza valores de caudal unitario
superiores a 100 m3/s/m, esta condición hace posible el estudio
de este tipo de mezclas utilizando modelos numéricos que, si
bien son sencillos y producen resultados aproximados,
permiten disponer de información relativamente precisa.
Se asume un comportamiento del lahar como flujo turbulento
utilizando el modelo numérico HEC-RAS el mismo que, no
permite el análisis de aspectos complejos como mezclas
multifásicas, procesos de arrastre y depósito de sedimentos,
pero es útil ya que produce resultados de forma relativamente
rápida y sencilla. El programa requiere la modificación de los
coeficientes de resistencia al movimiento (n de Manning) a fin
de alcanzar la calibración del modelo numérico, estos valores
varían para este caso particular entre 0,025 y 0,159.
Con los resultados numéricos del escenario de mayor
probabilidad de ocurrencia (E3) se determina que la
profundidad máxima alcanza 40 metros de altura, la velocidad
máxima promedio se encuentra en el orden de 28 m/s y el
caudal más alto para este escenario es de 20 147 m3/s. Se
determinan tiempos referenciales de llegada o paso del lahar
por las poblaciones aledañas más relevantes del área
considerada para el estudio en base al análisis de los resultados
obtenidos con la modelación numérica para flujo no
permanente en la cual se utiliza los hidrogramas de crecida
tanto a la entrada como a la salida de los tramos de simulación.
Los mapas de afectación por flujo de lahares primarios del
drenaje Sur del volcán Cotopaxi constituyen un aporte técnico
significativo puesto que pueden ser usados para tomar
decisiones acerca de la definición de sitios seguros, rutas de
evacuación e incluso la revisión de la planificación territorial,
todo esto sin dejar de lado los planes de concientización,
recuperación y mitigación ante los efectos producidos por el
paso de lahares ante una eventual erupción volcánica.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al equipo técnico del Centro de
Investigaciones y Estudios en Recursos Hídricos CIERHI de
la Escuela Politécnica Nacional por brindar las facilidades y
apoyo durante la ejecución de la presente investigación.
REFERENCIAS
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70
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Revista Politécnica - Abril 2019, Vol. 43, No. 1
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Ciudades y volcanes. Quito. Ecuador.
Pablo Alberto Vera Romero (1981).
Ingeniero Civil y Magister en Recursos
Hídricos mención en Diseño de proyectos
hidráulicos de la Escuela Politécnica
Nacional. Profesor Ocasional a tiempo
completo de la Facultad de Ingeniería
Civil y Ambiental de la EPN en el área de
Hidráulica. Actualmente es integrante del
equipo técnico del Centro de Investigaciones y Estudios en
Recursos Hídricos CIERHI-EPN, desarrollando proyectos de
investigación básica y aplicada. Miembro la Red de jóvenes
investigadores y Editor asociado en la revista
Hidrolatinoamericana de jóvenes investigadores y
profesionales IAHR.
Patricio Rubén Ortega Lara (1986).
Ingeniero Civil especialidad Hidráulica de
la Universidad Central de Ecuador.
Magister en Recursos Hídricos mención
Diseño de Proyectos Hidráulicos en la
Escuela Politécnica Nacional. Profesor
Titular Tiempo Completo desde 2015 en
la Facultad de Ingeniería Civil y
Ambiental de la EPN. Coordinador del Centro de
Investigaciones y Estudios en Recursos Hídricos CIERHI-
EPN. Presidente de la Red de jóvenes Investigadores de la
IAHR. Editor Asociado de la Revista Hidrolatinoamericana de
Jóvenes Investigadores y profesionales. Investigador
acreditado por el SENESCYT, actualmente cursando sus
estudios de Doctorado en la Universidad Politécnica de
Cartagena, España.
Edwin Patricio Casa Tipán (1988). Ingeniero Civil de la Universidad Central
del Ecuador. Magister en Recursos
Hídricos mención “Diseño de Proyectos
Hidráulicos”, Escuela Politécnica
Nacional, EPN, Quito. Profesor Ocasional
a tiempo completo en la Facultad de
Ingeniería Civil y Ambiental de la EPN.
Realiza estudios de investigación en el
Laboratorio del Centro de Investigaciones y Estudios en
Recursos Hídricos, CIERHI de la EPN, sobre temas de diseño,
evaluación y optimización de estructuras hidráulicas con base
en la modelación física-hidráulica y modelación numérica
computacional CFD.
Jorge Andrés Santamaría Chamorro
(1992). Ingeniero Civil con mención en
Hidráulica graduado en la Escuela
Politécnica Nacional. Investigador
Asistente en proyectos relacionados con la
modelación física y numérica de
fenómenos hidráulicos desarrollados en el
Centro de Investigaciones y Estudios en
Recursos Hídricos CIERHI-EPN. Ganador del Galardón
Nacional 2017 de Investigación en el Área de Ingeniería Civil
y Vice-Presidente de la Red de jóvenes Investigadores de la
IAHR. Actualmente se encuentra cursando sus estudios de
Maestría en Hidráulica de la EPN.
Ximena Hidalgo Bustamante (1960).
Ingeniera Civil especialidad Hidráulica de
la Escuela Politécnica Nacional, Master of
Science en Diseño de Estructuras
Hidráulicas y Modelos Hidráulicos en el
Instituto de Hidromecánica de la
Universidad de Karlsruhe, Alemania.
Actual Decana y Profesora titular a tiempo
completo de la Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental de la
EPN desde 1988. Directora del Centro de Investigaciones y
Estudios en Recursos Hídricos CIERHI-EPN. Investigadora
reconocida en el área de modelación física de estructuras
hidráulicas, diseño y optimización de proyectos desarrollados
en Ecuador.
71
72
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
11. SECCIÓN I
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Word 2013 o posteriores. Si está leyendo una versión impresa
de este documento, por favor descargue el archivo electrónico,
revistapolitécnicaformato2016.docx. En caso de que el autor
desee enviar el artículo en formato LaTex por favor
comunicarse con la coordinación de edición
([email protected]). Por favor, no coloque numeración
ni pie de página en el documento presentado.
No cambie los tamaños de fuente o espaciado de renglones
para ajustar el texto a un número limitado de páginas.
Utilice cursiva o negrita para dar énfasis a un texto, no
subrayado.
2. SECCIÓN II
Para las pautas de presentación, siga las instrucciones emitidas
por el sistema del sitio web de la revista de la EPN.
Colocar el correo electrónico del autor de correspondencia.
La presentación inicial debe tomar en cuenta todas las
indicaciones que se presentan en la plantilla, para de esta
manera tener una buena estimación de la longitud del artículo
a publicarse. Además, de esta manera el esfuerzo necesario
para la presentación final del manuscrito será mínimo.
Como sugerencia, es importante tomar en cuenta que, el primer
autor es el investigador que hizo la mayor parte del trabajo,
mientras que el último autor suele ser el profesor quien es el
líder intelectual y, a menudo edita y presenta el borrador final
del documento.
La Revista Politécnica pondrá en marcha un sistema de
transferencia electrónica de derechos de autor en su momento.
Por favor, "no" enviar formularios de derecho de autor por
correo o fax. A continuación se detallan las consideraciones
que se deben tener en cuenta para la presentación final del
artículo.
3. SECCIÓN III
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica Utilizar
Mayúsculas en cada Palabra en el Caso del Título
Apellido, Nombre1; Apellido, Nombre2; Apellido, Nombre3
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecatrónica, Quito, Ecuador
2Escuela Politécnica del Litoral, Facultad de Ingeniería Industrial, Guayaquil, Ecuador 3Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Exactas, Cuenca, Ecuador
Resumen: Las siguientes instrucciones establecen las pautas para la preparación de artículos para la Revista
Politécnica. Los artículos pueden ser escritos en español o en inglés, pero tendrán un resumen de máximo 250 palabras
en los dos idiomas. Los autores pueden hacer uso de este documento como una plantilla para componer su artículo si
están utilizando Microsoft Word 2013 o superior. Caso contrario, este documento puede ser utilizado como una guía
de instrucciones. El número mínimo de páginas será 6 y el máximo 15, Para el envío de los artículos, los autores
deben seguir las instrucciones colocadas en el sistema de recepción de artículos del sitio web de la Revista Politécnica
(www.revistapolitecnica.epn.edu.ec). En caso de que su artículo sea en inglés colocar el título y el resumen en los
dos idiomas.
Palabras clave: Incluir una lista de 3 a 6 palabras.
Title of Manuscript
Abstract: These instructions give you guidelines for preparing papers for EPN Journal. Papers can be written in
Spanish or English; however, an abstract of maximum 250 words and written in both languages is required. Use this
document as a template to compose your paper if you are using Microsoft Word2013 or later. Otherwise, use this
document as an instruction set. The minimum number of pages will be 6 and the maximum will be 15. For submission
guidelines, follow instructions on paper submission system from the EPN Journal
website(www.revistapolitecnica.epn.edu.ec).
Keywords:Include a list of 3 to 6 words.
Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
3.1 Figuras, tablas y márgenes
Todas las figuras deben ser incorporadas en el documento. Al
incluir la imagen, asegúrese de insertar la actual en lugar de un
enlace a su equipo local. Los archivos de: figuras, dibujos,
fotografías, etc., deberán enviarse en formato bmp o jpg, con
al menos 1200 puntos (resolución) en uno de sus ejes, con
leyendas legibles y de tamaño adecuado. El artículo debe
contener entre tablas y figuras un máximo de 10.
Las etiquetas de los ejes de las figuras son a menudo una fuente
de confusión. Utilice las palabras en lugar de símbolos. Por
ejemplo, escriba la cantidad "Magnetización," o
"Magnetización M" no sólo "M".
Las figuras y tablas deben estar en la parte superior e inferior
de las columnas. Evite colocarlas en medio de ellas. Las
figuras y tablas grandes pueden extenderse a lo largo de ambas
columnas. Las leyendas de las figuras deben estar centradas
debajo de las figuras, los títulos de las tablas deben estar
centrados sobre ellas. Evite colocar figuras y tablas antes de su
primera mención en el texto. Para la mención de figuras, tablas
o ecuaciones utilice las palabras completas con la primera letra
en mayúscula, por ejemplo "Figura 1".
Coloque las unidades entre paréntesis. No etiquete los ejes sólo
con unidades. Por ejemplo, escriba "Magnetización (A/m)" o
"Magnetización (Am-1)", no sólo "Magnetización A/m." No
etiquete los ejes con una relación de cantidades y unidades. Por
ejemplo, escriba "Temperatura (K)", no "Temperatura K".
Los multiplicadores pueden ser especialmente confusos.
Escriba "Magnetización (kA/m)" o "Magnetización
(103A/m)". No escriba "Magnetización (A/m) x 1000" porque
el lector no sabrá si la etiqueta del eje de arriba significa 16000
A/m o 0,016 A/m. Las etiquetas de las figuras deben ser
legibles, con un valor de 8 y sin espacio de separación con la
figura.
Figura 1. Distribución Weibull de 60 Hz voltajes de ruptura11 cables α =
45,9 kV picoβ = 5,08.Intervalo de Confidencia 95%
Los autores deben trabajar activamente con los márgenes
solicitados. Los documentos de la revista serán marcados con
los datos del registro de la revista y paginados para su inclusión
en la edición final. Si la sangría de los márgenes en su
manuscrito no es correcta, se le pedirá que lo vuelva a
presentar y esto, podría retrasar la preparación final durante el
proceso de edición.
Por favor, no modificar los márgenes de esta plantilla. Si está
creando un documento por su cuenta, considere los márgenes
que se enumeran en la Tabla 1. Todas las medidas están en
centímetros.
Tabla 1.Márgenes de página
Página Superior Inferior Izquierda/
Derecha Primera 2,0 2,5 1,5 Resto 2,0 2,5 1,5
3.2 Ecuaciones
Si está usando MSWord, sugerimos utilizar el Editor de
ecuaciones de Microsoft o el MathTypeadd-on para las
ecuaciones en su documento (Insertar/Objeto/Crear
Nuevo/Microsoft Ecuación o Ecuación MathType). La opción
"flotar sobre el texto" no se debe elegir.’
Enumere las ecuaciones consecutivamente con los números de
la ecuación en paréntesis contra el margen derecho, como en
(1). Utilice el editor de ecuaciones para crear la ecuación y esta
debe estar localizada en el margen derecho, como se muestra
en el ejemplo siguiente:
)]2(/[),( 020
2
rddrrFr
(1)
Asegúrese de que los símbolos en su ecuación han sido
definidos antes de que aparezcan en la ecuación o
inmediatamente después. Ponga en cursiva los símbolos (T
podría referirse a la temperatura, pero T es la unidad tesla).
Para referirse a la ecuación se escribe por ejemplo “Ecuación
(1) "
3.3 Unidades
Utilice el SI como unidades primarias. Otras unidades pueden
ser utilizadas como unidades secundarias (en paréntesis). Por
ejemplo, escriba "15 Gb/cm2 (100 Gb/in2)". Evite combinar las
unidades del SI y CGS, como la corriente en amperios y el
campo magnético en oerstedios. Esto a menudo lleva a
confusión porque las ecuaciones no cuadran
dimensionalmente. Si tiene que usar unidades mixtas, aclare
las unidades para cada cantidad en una ecuación.
Por ejemplo, en el SI la unidad de fuerza de campo magnético
Hes A/m. Sin embargo, si desea utilizar unidades de T, o bien
se refiere a la densidad de flujo magnético B o la fuerza del
campo magnético simbolizadas como µ0H. Use un punto en el
centro para separar las unidades compuestas, por ejemplo,
“A·m2.”
3.4 Abreviaturas y Siglas
Defina las abreviaciones y acrónimos la primera vez que se
utilizan en el texto, incluso después de que ya han sido
Breakdown Voltage (kV)
100 101 102
0.2
0.1
2
20
70
90
98
99.9
50
Wei
bull
Bre
akdo
wn
Pro
babi
lity
(%)
30
10
5
1
0.5
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
definidos en el resumen. No utilice abreviaturas en el título a
menos que sea inevitable.
3.5 Otras recomendaciones
Para expresar valores decimales se usarán comas, por
ejemplo 3,45. Use un cero antes del decimal.
Se incluirá un espacio entre números para indicar los
valores de miles, por ejemplo 463 690.
Utilice notación científica para expresar números con
más de 3 cifras hacia la derecha o izquierda, es decir,
mayores a 2,50E+05 o menores a 4,8E-03.
Finalmente, de ser necesario y de manera opcional, se
pueden incluir conclusiones, recomendaciones y
agradecimiento.
REFERENCIAS
La lista de referencias debe estar en Formato APA
ordenada alfabéticamente de acuerdo con el apellido del
primer autor del artículo. El agregado et al no debe ir en
cursiva. Por favor nótese que todas las referencias listadas aquí
deben estar directamente citadas en el cuerpo del texto usando
(Apellido, año). Las notas al pie deben evitarse en la medida
de lo posible.
El artículo debe contener un mínimo de 6 referencias.
Seguir el formato indicado a continuación de acuerdo al tipo
de referencia a:
Formato básico para referenciar libros:
Apellido, Inicial Nombre. (Año). Título del libro. Ciudad,
País: Editorial.
Libros con un autor:
En las referencias: King, M. (2000). Wrestling with the angel: A life of Janet Frame. Auckland,
New Zealand: Viking.
Cita en el texto:
(King, 2000) o King (2000) argumenta que ...
Libros con dos autores:
En las referencias: Treviño, L. K., y Nelson, K. A. (2007). Managing business ethics: Straight
talk about how to do it right. Hoboken, NJ: Wiley
Cita en el texto:
(Treviño y Nelson, 2007) oTreviño y Nelson (2007)
ilustran…
Libros con dos o más autores:
En las referencias: Krause, K.-L., Bochner, S., y Duchesne, S. (2006). Educational psychology
for learning and teaching (2nd ed.). South Melbourne, VIC., Australia:
Thomson.
Cita en el texto:
De acuerdo con Mezey et al. (2002) o ... (Mezey et al.,
2002).
Formato básico para referenciar artículos científicos
Apellido, Inicial Nombre. (Año). Título del Artículo.
Título/Iniciales de la Revista. Número de Volumen (Tomo),
páginas
Artículos en revistas:
En las referencias: Sainaghi, R. (2008). Strategic position and performance of winter
destinations. TourismReview, 63(4), 40-57.
Cita en el texto:
(Sainaghi, 2008) oSainaghi (2008) sugiere ...
Artículos con DOI
En lasreferencias: Shepherd, R., Barnett, J., Cooper, H., Coyle, A., Moran-Ellis, J., Senior, V.,
& Walton, C. (2007). Towards an understanding of British public attitudes concerning human cloning. Social Science& Medicine, 65(2), 377-392.
http://dx.doi.org/10.1016/j.socscimed.2007.03.018
Cita en el texto:
Shepherd et al. (2007) o Shepherd et al. (2007) resaltan la...
Artículos sin DOI
En las referencias Harrison, B., & Papa, R. (2005). The development of an indigenous
knowledge program in a New Zealand Maori-language immersion
school. Anthropology and EducationQuarterly, 36(1), 57-72. Obtenido de la base de datos AcademicResearch Library
Cita en el texto:
(Harrison y Papa, 2005) o En su investigación, Harrison y
Papa (2005) establecieron...
Artículos en línea
En lasreferencias: Snell, D., & Hodgetts, D. (n.d.). The psychology of heavy metal communities
and white supremacy. Te KuraKeteAronui, 1. Obtenido de: http://www.waikato.ac.nz/wfass/tkka. (Mayo, 2015).
Cita en el texto:
(Snell y Hodgetts, n.d.) oSnell y Hodgetts (n.d.) identificaron
"..."
Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica- XXXX 201X, Vol. XX, No. X
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Selección de dos o tres árbitros, actualmente la Revista
Politécnica cuenta con revisores internos, externos e
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Cuando un artículo recibe al mismo tiempo evaluaciones
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